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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Wärmetechnik bzw. der Behandlung von Medien, bei der aus einem gasförmigen Medium durch Wärmentzug eine Flüssigkeit abgeschieden wird, Hierzu dienen sogenannte Kondensationseinheiten, die z.B. Luftfeuchtigkeit aus dem zu behandelnden Medium, beispielsweise einer so genannten Prozessluft einer Wäschebehandlungsmaschine, abtrennen. Derartige Einheiten bestehen z.B. aus mäanderförmig verlegten Rohren, in denen eine Kühl- oder Prozessflüssigkeit fließt, und vorzugsweise eng gestapelten Metallblechen, insbesondere Aluminiumblechen, die mit der Prozessluft in wärmeaustauschendem Kontakt stehen. Dadurch kann die Prozessluft Wärmeenergie an die Bleche abgeben, wodurch eine Kondensation und damit das Separieren der von in der Prozessluft enthaltenen Feuchtigkeit bewirkt wird.
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Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer äußeren Oberfläche, die zumindest teilweise von einer partikelabweisenden Oberflächenschicht gebildet ist. Dabei kann die Oberfläche dazu bestimmt sein, mit einem zu kühlenden Medium, zum Beispiel Prozessluft, in Kontakt zu stehen.
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Derartige Wärmetauscher finden verbreitet Anwendung bei Maschinen zur Behandlung von Wäsche, insbesondere bei Wäschetrocknern und bei so genannten, im Haushalt verwendeten Waschtrocknern, also Multifunktionsgeräten, die sowohl dem Waschen als auch dem Trocknen von Waschgut dienen. Die dabei aus der Prozessluft abgeschiedenen Flüssigkeiten führen jedoch häufig noch Verunreinigungen aus dem Waschgut, vor allem Haare oder Flusen, mit sich. Diese Verunreinigungen lagern sich an der dem Wärmeaustausch dienenden Oberfläche des Wärmetauschers, insbesondere an dem Wärmeaustausch dienenden Aluminiumblechen, ab. Damit vermindert sich über die Zeit die Wärmeübertragung zwischen dem Wärmetaucher und der Prozessluft. Der so verminderte Wirkungsgrad des Wärmetauschers kann in unerwünschter Weise zu einer Verlängerung der notwendigen Trocknungs- bzw. Betriebszeiten und ungünstigstenfalls durch Beläge oder Verstopfung der wärmetauschenden Oberflächen zu erheblichen Betriebsstörungen führen.
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Vor diesem Hintergrund sind verschiedene Maßnahmen vorgeschlagen geworden, um dem unerwünschten Ablagern von Flusen und Haaren an wärmetauschenden Oberflächen eines Wärmetauschers entgegenzuwirken.
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Aus der Schrift
WO 2007/093461 A1 ist eine im Wesentlichen mechanisch wirkende Reinigungsvorrichtung bekannt, die innerhalb des Prozessluft-Kreislaufs eines Wäschetrockners angeordnet ist und die eine Reinigungsbürste aufweist. Die Reinigungsbürste bewegt sich unter Zuführung einer Reinigungsflüssigkeit an dem Wärmetauscher entlang und reinigt so dessen Oberfläche. Dies ist jedoch mit erheblichem konstruktivem Aufwand verbunden und birgt die Gefahr, dass die Reinigungsvorrichtung ihrerseits mit zunehmender Dauer verschmutzt und in ihrer Leistungsfähigkeit nachlässt.
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Die Schrift
EP 2 154 467 A1 offenbart einen Wärmetauscher der eingangs genannten Art und verfolgt damit einen anderen Ansatz dahingehend, dass bereits die Ablagerung von Schmutzpartikeln, Haaren und Flusen an den kritischen Oberflächen des Wärmetauschers unterbunden wird. Dazu sind zumindest Teilbereiche der Oberfläche des bekannten Wärmetauschers mit einer Polymer-Beschichtung versehen, deren Haftung an dem Wärmetauscher durch eine zwischenliegende Passivierungsschicht verbessert ist.
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Diese Passivierungsschicht bildet eine stabile und zuverlässige Schnittstelle zwischen der Polymer-Beschichtung einerseits und der von Flusen freizuhaltenden Oberfläche des Wärmetauschers andererseits. Allerdings ist diese Ausgestaltung des Wärmetauschers mit aufwendigen zusätzlichen Fertigungsschritten und damit mit Zusatzkosten verbunden. Außerdem kann sich die Polymer-Beschichtung in ungünstigen Fällen noch immer von dem Wärmetauscher lösen, beispielsweise wenn mit engen Biegeradien verbundene Umformprozesse nach Aufbringen der Polymer-Schicht ausgeführt werden müssen. Zudem weist die Polymer-Schicht ihrerseits einen erhöhten Wärmeübergangswiderstand auf und die verschiedenen Schichten stellen hinsichtlich des Wärmeübergangs mehrere serielle Wärmewiderstände dar, die den Wirkungsgrad des Wärmetauschers negativ beeinflussen.
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Vor diesem Hintergrund besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, einen in seiner Herstellung und in seinem Wirkungsgrad optimierten Wärmetauscher, insbesondere für einen Wäschetrockner oder Waschtrockner, zur Verfügung zu stellen, dessen prozessluftbeaufschlagte Oberflächen langzeitstabil und besonders wirksam vor Schmutz- und Partikelablagerungen bewahrt sind und der dennoch einfach herstellbar und in seiner Oberflächenbeschaffenheit sehr robust ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Wärmetauscher mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte und bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, der beigefügten Zeichnung sowie den abhängigen Patentansprüchen, deren Merkmale einzeln und in beliebiger Kombination miteinander angewendet werden können.
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Erfindungsgemäß ist bei einem Wärmetauscher der eingangs genannten Art die Oberflächenschicht eine Eloxalschicht. „Eloxal“ bezeichnet als Abkürzung die elektrolytische Oxidation von Aluminium und somit eine Schicht, die durch elektrisches Oxidieren von Aluminium hergestellt ist. Dabei wird durch einen elektrochemischen Prozess die Oberfläche des Aluminiums umgewandelt, wobei die Oberfläche bis zu einer gewissen Dicke porös werden kann. Bei reinem Aluminium besteht die Eloxalschicht aus Al2O3, ist damit keramisch, vergleichsweise dünn und in vorteilhafter Weise außerordentlich fest – da quasi auf dem Aluminium aufgewachsen – mit dem Aluminiumgrundwerkstoff verbunden. Die Eloxalschicht ist äußerst hart und gegen viele chemische Substanzen weitestgehend unempfindlich. Das Eloxieren ist auch bei vielen Aluminiumlegierungen (insbesondere AlSi0,5; AlSi1; AlMg3; AlMg4,5; AlMg4,5Mn) anwendbar.
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Beim Eloxieren wird bevorzugt zunächst die Oberfläche des Aluminiums bzw. der Aluminiumlegierung durch mechanische und/oder chemische Verfahren gründlich gereinigt, um ein absolut fett- und staubfreies Werkstück zu erzeugen. Diese Reinigung kann auch in Bädern aus Natronlauge erfolgen. Nach einem anschließenden Spülvorgang, um sämtliche Reste des Reinigungsmittels zu entfernen, erfolgt das sogenannte Anodisieren in einem sauren elektrolytischen Bad, z.B. aus verdünnter Schwefelsäure oder Oxalsäure. Ein bekanntes Verfahren dabei ist das sog. Gleichstrom-Schwefelsäure-Verfahren (GS-Verfahren), bei dem die Werkstücke als Anode in ein wässriges Schwefelsäurebad getaucht werden, während die Kathode beispielsweise von Blei- oder Titanplatten gebildet wird. Über eine Zeit von etwa 20 bis 60 Minuten kann bei einer Gleichspannung von 12 bis etwa 18 Volt und Stromdichten von etwa 1,5 A/dm2 das Anodisieren erfolgen. Bei sogenannten Harteloxalverfahren wird die entstehende Schicht durch sehr hohe Badspannungen und tiefe Badtemperaturen noch weiter verdickt.
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Nach dem Anodisieren wird das Werkstück gründlich gespült und gegebenenfalls gezielt neutralisiert. Bereits anschließend kann ein sogenanntes Versiegeln erfolgen, das im einfachsten Fall durch Verdichten der Eloxalschicht, beispielsweise in kochendem Wasser, erfolgt.
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Die Eloxalschicht weist neben der bereits erwähnten hervorragenden Haftung auf der Oberfläche des Wärmetauschers einen äußerst geringen Wärmeübergangswiderstand auf, in dem sich die exzellente Wärmeleitung des Aluminiumoxids von 36 bis 39 W/m·K und die exzellente Anbindung an das Trägermaterial widerspiegelt. Aufgrund ihrer festen Verbindung und geringen Schichtdicke kann die Eloxalschicht zusammen mit dem jeweiligen Wärmetauscher verformt werden.
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Schädliche Temperaturwechseleffekte aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten sind in einem weiten Temperaturbereich ausgeschlossen.
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In vorteilhafter Weise ist erfindungsgemäß eine Eloxalschicht – bevorzugt mit einer Dicke von bis zu 100 µm – mit verhältnismäßig einfachen Maßnahmen realisiert.
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Wie erwähnt, weist die Eloxalschicht nach dem Anodisieren Poren auf, die vorteilhafter Weise zu einer weiteren Optimierung der Oberflächenschicht genutzt werden können, indem sie in Fortbildung der Erfindung Veredelungsmaterialien aufnehmen, um der partikelabweisenden Oberflächenschicht noch weiter verbesserte Eigenschaften zu verleihen.
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Nach einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind demgemäß die Poren der Eloxalschicht zumindest teilweise mit hydrophob wirkenden Materialien ausgefüllt. Die Materialeinbringung und damit die Veredlung der Oberfläche kann beispielsweise durch Tauchen, Aufsprühen, chemische und/oder physikalische Abscheidung sowie durch Vakuumbeschichtungs- und Plasmabeschichtungsverfahren erfolgen. Damit kann die Eloxalschicht beispielsweise auch einen sogenannten Lotuseffekt aufweisen, der zu einem besonders wasserabweisenden und partikelabweisenden Verhalten führt.
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Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind die Poren zumindest teilweise mit Nanopartikeln ausgefüllt. Bevorzugt können die Nanopartikel dabei zumindest teilweise von oxidierten Siloxanen (sogenannter Quarzstaub oder Kieselpuder) gebildet sein. Derartige Materialien sind für sich bekannt und beispielsweise in der Veröffentlichung
US 2008/0250978 A1 beschrieben.
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Ergänzend oder alternativ können nach einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung die Poren zumindest teilweise (auch) mit Kunststoff ausgefüllt sein, wobei sich besonders vorteilhaft Polytetrafluorethylen (PTFE) eignet.
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Eine bevorzugte Anwendung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ergibt sich in einer Anordnung, bei der nach einer weiteren vorteilhaften Fortbildung der Erfindung die Eloxalschicht auf wenigstens einem Aluminiumblech ausgebildet ist, das mit Prozessluft in Wärmeaustausch gelangt.
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Zur weiteren Steigerung der Leistungsfähigkeit des erfindungsgemäßen Wärmetauschers ist nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass das Aluminiumblech gewellt und parallel zu mehreren weiteren entsprechend ausgebildeten Aluminiumblechen angeordnet ist.
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Ein weiterer Vorteil der Eloxalschicht ist ihre Widerstandsfähigkeit gegen schwach alkalische Lösungen bis zu einem pH-Wert von 8. Der erfindungsgemäße Wärmetauscher kann deshalb besonders vorteilhaft Bestandteil einer Vorrichtung zur Prozessluftbehandlung in einem Waschtrockner oder Wäschetrockner sein, weil geringe Mengen alkalischer Rückstände aus dem Waschmittel für den Wärmetauscher unschädlich sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der beigefügten Zeichnung figürlich dargestellten Ausführungsbeispiels weiter erläutert.
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In der einzigen Figur (
1) der Zeichnung ist ein Wärmetauscher
1 mit mehreren nur schematisch angedeuteten, parallel angeordneten und bevorzugt (hier nicht gezeigt) gewellt ausgebildeten Aluminiumblechen
2 dargestellt. Die Aluminiumbleche
2 gelangen in an sich beispielsweise aus der eingangs genannten Schrift
WO2007/093461 A1 – auf die insoweit inhaltlich vollumfänglich Bezug genommen wird und die einen Bestandteil der vorliegenden Beschreibung bildet – bekannter Weise in wärmeaustauschenden Kontakt mit Prozessluft
3, die in einem nur angedeuteten Prozessluftkreislauf z.B. eines Waschtrockners strömt. Diese ist über in einer Wäschetrommel
4 befindliches Waschgut und einen angedeuteten Luftleitkanal
5 zu dem Wärmetauscher geführt. Ein weiterer, in üblicher Weise ausgestalteter wärmeabführender Prozessmittelkreislauf des Wärmetauschers ist aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt.
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Zumindest die mit der Prozessluft 3 in Kontakt kommenden Bereiche des Wärmetauschers 1 sind mit einer wasser- und partikelabweisenden Oberflächenschicht 6 versehen, die somit zumindest einen Teil der äußeren Oberfläche 7 des Wärmetauschers bildet.
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Die Oberflächenschicht 6 ist eine durch Anodisieren der Aluminiumbleche 2 (wie bereits beschrieben) eloxierte Metalloberfläche (d.h. eine Eloxalschicht) 8. Bei der vorbeschriebenen elektrochemischen Umwandlung der Oberflächenschicht 6 bis zu einer Dicke 9 von etwa 100 µm entstehen zunächst sehr feine Poren 10, die der einfacheren Darstellung halber nur in einem stark vergrößerten Oberflächenausschnitt A angedeutet sind. Diese Poren sind mit hydrophob wirkenden Materialien 11 ausgefüllt. Bevorzugt sind sie mit Nanopartikeln 12 ausgefüllt, die zumindest teilweise oxidierte Siloxane 13 sind. Ergänzend oder alternativ können die Poren 11 zumindest teilweise auch mit einem Kunststoff 14, besonders bevorzugt mit Polytetrafluorethylen (PTFE) 15, ausgefüllt sein.
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Der Wärmetauscher 1 ist Bestandteil einer nur schematisch angedeuteten Vorrichtung 16 zur Prozessluftbehandlung in einem nur mit einem Teilumriss angedeuteten Waschtrockner 17.
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Bei der Herstellung des erfindungsgemäßen Wärmetauschers kann sowohl bereits eloxiertes Material eingesetzt werden, das in sehr weitem Umfang biege- und stanztechnisch weiterverarbeitet werden kann, sofern bestimmte Biegeradien nicht unterschritten werden. Es ist aber auch denkbar, bereits fertige Wärmetauscher bzw. Kondensationseinheiten in einem anschließenden Prozess zu eloxieren, wobei dann wunschgemäß die entsprechenden, z.B. aus Aluminium bestehenden, Komponenten mit der Eloxalschicht versehen werden.
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Mit der Erfindung ist eine deutlich vereinfachte Fertigung der partikelabweisenden Oberflächenschicht des Wärmetauschers im Vergleich zu den bisher aus dem Stand der Technik bekannten Maßnahmen realisierbar, wobei sich die Schicht sowohl durch eine sehr hohe Verschleißfestigkeit im Betrieb als auch durch eine sehr unproblematische Handhabung während des Fertigungs-/Montageprozesses auszeichnet. Aufgrund der innigen stoffschlüssigen Anbindung der Schicht und ihrer Materialzusammensetzung weist der erfindungsgemäße Wärmetauscher eine äußerst hohe Effizienz auf. Damit kann der Bauraum des Wärmetauschers bei gleichbleibender Leistung vermindert werden. Zudem ist der Wärmetauscher hinsichtlich seines Fertigungsaufwandes und damit hinsichtlich der damit verbundenen Fertigungskosten deutlich optimiert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Wärmetauscher
- 2
- Aluminiumblech
- 3
- Prozessluft
- 4
- Wäschetrommel
- 5
- Luftleitkanal
- 6
- Oberflächenschicht
- 7
- Oberfläche
- 8
- Eloxalschicht
- 9
- Dicke
- 10
- Poren
- 11
- Materialien
- 12
- Nanopartikel
- 13
- Siloxane
- 14
- Kunststoff
- 15
- Polytetrafluorethylen
- 16
- Vorrichtung
- 17
- Waschtrockner
- A
- Oberflächenausschnitt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2007/093461 A1 [0005, 0024]
- EP 2154467 A1 [0006]
- US 2008/0250978 A1 [0018]
