DE102012108602A1

DE102012108602A1 - Wärmetauscher mit wärmeabführender Beschichtung

Info

Publication number: DE102012108602A1
Application number: DE201210108602
Authority: DE
Inventors: Anmelder Gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2012-09-14
Filing date: 2012-09-14
Publication date: 2014-03-20

Abstract

Ein Wärmetauscher umfasst eine zur Abgabe von Wärme an ein Kühlmedium eingerichtete Oberfläche. Diese Oberfläche ist zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen, welche ein polymeres Bindemittel und Sand umfasst und wobei der Sand einen D50-Wert der Korngrößenverteilung, ermittelt gemäß DIN EN 933, von ≥ 0,3 mm aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers sowie die Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung umfassend ein Polymerharz und Sand zur Beeinflussung der Wärmeabfuhr und/oder der Beeinflussung der Außentemperatur eines Wärmetauschers.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Wärmetauscher mit einer zur Abgabe von Wärme an ein Kühlmedium eingerichtete Oberfläche, wobei diese Oberfläche zumindest teilweise mit einer wärmeabführenden Beschichtung versehen ist. Sie betrifft weiterhin ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Wärmetauschers sowie die Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung umfassend ein Polymerharz und Sand zur Beeinflussung der Wärmeabfuhr und/oder der Beeinflussung der Außentemperatur eines Wärmetauschers.
Wärmetauscher kommen in vielerlei Anwendungen für Heiz- und Kühlungszwecke zum Einsatz. Beispielhaft sei das in US 2009/0165838 A1 beschriebene Solarpaneel genannt, bei dem Rohrleitungen mit einem Wärmetauschermedium mit einem Träger verklebt sind. Der Klebstoff wird als Wärmeübertragungsklebstoff beschrieben und beinhaltet ein Acrylharz und Silika-Sand und benötigt nicht die Zugabe von Wasser.
Die Verbesserung von Wärmeübertragungsprozessen in Wärmetauschern ist aus technischen und wirtschaftlichen Gründen eine ständige Herausforderung.
Die vorliegende Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, einen dahingehend verbesserten Wärmetauscher bereitzustellen, welcher ohne aufwendige Modifikationen oder bauliche Veränderungen auch auf der Basis von bereits bestehenden und in eine Anlage eingebauten Wärmetauschern erhalten werden kann.
Erfindungsgemäß gelöst wird die Aufgabe durch einen Wärmetauscher, umfassend eine zur Abgabe von Wärme an ein Kühlmedium eingerichtete Oberfläche, wobei diese Oberfläche zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen ist, welche ein polymeres Bindemittel und Sand umfasst und wobei der Sand einen D₅₀-Wert der Korngrößenverteilung, ermittelt gemäß DIN EN 933, von ≥ 0,3 mm aufweist.
Überraschenderweise wurde gefunden, dass mit solchen Beschichtungen versehene Wärmetauscher einen schnelleren Wärmeübergang und damit eine effektivere Kühlung als nicht beschichtete Wärmetauscher zeigen.
Im erfindungsgemäßen Wärmetauscher ist eine beschichtete Oberfläche vorgesehen, welche zur Abgabe von Wärme an ein Kühlmedium eingerichtet ist. Im einfachsten Fall ist dieses eine mit der Umgebung, d.h. Luft, in Kontakt stehende Oberfläche. Beispiele hierfür sind Kühlrippen, welche an Motoren, integrierten Schaltkreisen und dergleichen angebracht sind. Das Kühlmedium kann aber auch eine Kühlflüssigkeit sein. Der Kontakt mit dem Kühlmedium kann unmittelbar oder aber auch mittelbar, beispielsweise im Sinne eines Gegenstrom- oder Kreuzstromwärmetauschers, erfolgen.
Der erfindungsgemäße Wärmetauscher unterscheidet sich von Behältern, in denen eine Metallschmelze aufbewahrt werden kann. Insbesondere ist der Wärmetauscher keine Gießpfanne, ein Vergießofen, Abstichrinne, Vorherd oder Kupolofen.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung bezeichnet der Begriff ”Beschichtung” die auf eine Oberfläche aufgetragene Beschichtungszusammensetzung nach Umwandlung durch physikalische und/oder chemische Prozesse wie Trocknung, Erstarrung, Polymerisation, Quervernetzung und/oder Verkieselung.
Im Gegensatz dazu bezeichnet der Begriff ”Beschichtungszusammensetzung”, welcher i m Zusammenhang mit einem weiteren Aspekt der Erfindung später behandelt werden wird eine noch nicht ausgehärtete Zusammensetzung, welche noch nicht beispielsweise durch Trocknung oder Quervernetzung zu einem Feststoff geworden ist. Insofern ist eine ”Beschichtungszusammensetzung” noch verarbeitbar.
Der Begriff ”Sand” im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist zunächst nicht auf bestimmte Gesteine oder Mineralien eingeschränkt. In Anlehnung an die Definitionen der Normen EN 12620 und der EN 13139 sind unter ”Sand” Gesteinskörnungen aus mineralischen Vorkommen zu verstehen, wobei ”Sand” eine Korngrößenbezeichnung darstellt. So beträgt für ”Sand” die Körnung gemäß DIN EN 933, ausgedrückt durch zwei Begrenzungssiebe d/D, 0/4. Dieses entspricht einem Korngrößenbereich von 0 mm bis maximal 4 mm. In der Norm DIN EN 933 sind insbesondere die Teile 1 (Bestimmung der Korngrößenverteilung – Siebverfahren) und 2 (Bestimmung der Korngrößenverteilung – Analysensiebe, Nennmaße der Sieböffnungen) von Interesse.
Der D₅₀-Wert gibt die Maschenweite eines Siebes an, bei der 50 Gewichts-% einer Sand-Probe das Sieb passieren. Dieser Wert kann aus einer Korngrößenverteilungskurve abgelesen werden. Vorzugsweise beträgt dieser D₅₀-Wert ≥ 0,5 mm bis ≤ 1,5 mm.
Beispiele für polymere Bindemittel sind Polyacrylate, Polyurethane und, vorzugsweise, Polysiloxane oder Folgeprodukte der Reaktion von Polysiloxanen bei Temperaturen von über 200°C, über 300°C oder über 400°C (Bildung von stabilen SiO₂-Gerüsten).
Weitere Aspekte und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend beschrieben. Sie können beliebig miteinander kombiniert werden, sofern sich aus dem Kontext nicht das Gegenteil ergibt.
In einer Ausführungsform ist der Wärmetauscher zur Aufnahme eines strömenden Fluids eingerichtet. Das strömende Fluid kann beispielsweise Heizungswasser, Öl in einem Kühlkreislauf oder ein Reaktionsgemisch in einer chemischen Anlage sein.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Wärmetauscher ausgewählt aus der Gruppe: Kühlbleche, vorzugsweise Kühlbleche für Motoren oder elektronische Bauelemente; Wasserleitungen, vorzugsweise Wasserleitungen für Wärmetauscher; Abkühlbecken; Abgasleitungen hinter Schmelzaggregaten.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Beschichtung aus einer Beschichtungszusammensetzung erhältlich, welche ein Silikonharz und Sand umfasst. ”Silikonharze” (Poly(organo)siloxane) sind dem Fachmann geläufig. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um Silikonharzlacke, welche nach der Aushärtung durch Abspaltung von Seitengruppen ein stabiles SiO₂-Gerüst bilden und somit in besonderem Maße für Hochtemperaturanwendungen geeignet sind.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Sand ein Quarz-, Basalt-, Dolomit-, Feldspat-, Glimmer-, Ilmenit-, Kalzit-, Bauxit-, Andalusit-, Zirkoniumsilikat-, Zirkoniumdioxid-, Magnesit-, Korund-, Spinell-, Siliciumcarbid- und/oder Siliciumnitrid-Sand. Die Angabe des Minerals bezeichnet die Hauptkomponente des Sandes. So enthält beispielsweise ein Quarzsand ≥ 50 Gewichts-%, vorzugsweise ≥ 85 Gewichts-% und besonders bevorzugt ≥ 95 Gewichts-% Quarz. Aufgrund der einfachen Verfügbarkeit und der chemischen Verträglichkeit mit Silikonharz-Lacken ist Quarzsand der bevorzugte Sand.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Sand eine Körnung gemäß DIN EN 933, ausgedrückt durch zwei Begrenzungssiebe d/D, von 0/2 aufweist. Vorzugsweise beträgt die Körnung 0/1.
In einer weiteren Ausführungsform weist der Sand einen D₅₀-Wert der Korngrößenverteilung, ermittelt gemäß DIN EN 933, von ≥ 0,8 mm bis ≤ 1,2 mm auf.
In einer weiteren Ausführungsform ist das Silikonharz ein Methylsilikonharz, Phenylsilikonharz oder Methylphenylsilikonharz.
In einer weiteren Ausführungsform liegt das Gewichtsverhältnis von Sand zu polymerem Bindemittel in einem Bereich von ≥ 1:1 bis ≤ 1,5:1 liegt. Ein bevorzugter Bereich für das Gewichtsverhältnis ist ≥ 1,1:1 bis ≤ 1,4:1. Insbesondere kann das Gewichtsverhältnis von Sand zu Silikonharz in einem Bereich von ≥ 1:1 bis ≤ 1,5:1, vorzugsweise ≥ 1,1:1 bis ≤ 1,4:1, liegen.
In einer weiteren Ausführungsform ist die Beschichtung schwarz eingefärbt. Auch dieses erhöht die Wärmeabfuhr, da im wörtlichen Sinne ein schwarzer Strahler vorliegt.
In einer weiteren Ausführungsform beträgt in der Beschichtung der Gesamtemissionsgrad in Richtung der Flächennormalen ε_n ≥ 0,85 beträgt. Vorzugsweise beträgt dieser Wert, insbesondere bei matten Silikonharzlacken, ≥ 0,95.
In einer weiteren Ausführungsform weist die Beschichtung eine Schichtdicke von ≥ 10 μm bis ≤ 500 μm auf, wobei der Sand nicht in die Bestimmung dieser Schichtdicke einbezogen wird. Vorzugsweise ist die Schichtdicke ≥ 100 μm bis ≤ 400 μm.
Ein weiterer Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, umfassend den Schritt des Auftragens einer Beschichtungszusammensetzung auf zumindest einen Teil einer zur Abgabe von Wärme an ein Kühlmedium eingerichteten Oberfläche, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein Polymerharz und Sand mit einem D₅₀-Wert der Korngrößenverteilung, ermittelt gemäß DIN EN 933, von ≥ 0,3 mm umfasst. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wird auf die vorangegangenen Ausführungen zur Beschichtungszusammensetzung verwiesen, auf welche in vollem Umfang Bezug genommen wird. Mit eingeschlossen ist der Fall, dass die Beschichtung durch Erhitzen auf Temperaturen von über 200°C, über 300°C oder über 400°C erhalten wird.
Die vorliegende Erfindung betrifft ebenfalls die Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung umfassend ein Polymerharz und Sand mit einem D₅₀-Wert der Korngrößenverteilung, ermittelt gemäß DIN EN 933, von ≥ 0,3 mm zur Beeinflussung der Wärmeabfuhr und/oder der Beeinflussung der Außentemperatur eines Wärmetauschers. Zur Vermeidung unnötiger Wiederholungen wird auch hier auf die vorangegangenen Ausführungen zur Beschichtungszusammensetzung verwiesen, auf welche in vollem Umfang Bezug genommen wird. Mit eingeschlossen ist der Fall, dass die Beschichtung durch Erhitzen auf Temperaturen von über 200°C, über 300°C oder über 400°C erhalten wird.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die Beschichtungszusammensetzung ein Silikonharz und Sand.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 2009/0165838 A1 [0002]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN EN 933 [0005]
Normen EN 12620 [0011]
EN 13139 [0011]
DIN EN 933 [0011]
Norm DIN EN 933 [0011]
DIN EN 933 [0019]
DIN EN 933 [0020]
DIN EN 933 [0026]
DIN EN 933 [0027]

Claims

Wärmetauscher, umfassend eine zur Abgabe von Wärme an ein Kühlmedium eingerichtete Oberfläche, dadurch gekennzeichnet, dass diese Oberfläche zumindest teilweise mit einer Beschichtung versehen ist, welche ein polymeres Bindemittel und Sand umfasst und wobei der Sand einen D₅₀-Wert der Korngrößenverteilung, ermittelt gemäß DIN EN 933, von ≥ 0,3 mm aufweist.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 1, wobei der Wärmetauscher zur Aufnahme eines strömenden Fluids eingerichtet ist.
Wärmetauscher gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei der Wärmetauscher ausgewählt ist aus der Gruppe Kühlbleche, vorzugsweise Kühlbleche für Motoren oder elektronische Bauelemente; Wasserleitungen, vorzugsweise Wasserleitungen für Wärmetauscher; Abkühlbecken; Abgasleitungen hinter Schmelzaggregaten.
Wärmetauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, wobei die Beschichtung aus einer Beschichtungszusammensetzung erhältlich ist, welche ein Silikonharz und Sand umfasst.
Wärmetauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, wobei der Sand ein Quarz-, Basalt-, Dolomit-, Feldspat-, Glimmer-, Ilmenit-, Kalzit-, Bauxit-, Andalusit-, Zirkoniumsilikat-, Zirkoniumdioxid-, Magnesit-, Korund-, Spinell-, Siliciumcarbid- und/oder Siliciumnitrid-Sand ist.
Wärmetauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Sand eine Körnung gemäß DIN EN 933, ausgedrückt durch zwei Begrenzungssiebe d/D, von 0/2 aufweist.
Wärmetauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, wobei der Sand einen D₅₀-Wert der Korngrößenverteilung, ermittelt gemäß DIN EN 933, von ≥ 0,8 mm bis ≤ 1,2 mm aufweist.
Wärmetauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7, wobei das Silikonharz ein Methylsilikonharz, Phenylsilikonharz oder Methylphenylsilikonharz ist.
Wärmetauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Gewichtsverhältnis von Sand zu polymerem Bindemittel in einem Bereich von ≥ 1:1 bis ≤ 1,5:1 liegt.
Wärmetauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Beschichtung schwarz eingefärbt ist.
Wärmetauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, wobei in der Beschichtung der Gesamtemissionsgrad in Richtung der Flächennormalen ε_n ≥ 0,85 beträgt.
Wärmetauscher gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Beschichtung eine Schichtdicke von ≥ 10 μm bis ≤ 500 μm aufweist, wobei der Sand nicht in die Bestimmung dieser Schichtdicke einbezogen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, umfassend den Schritt des Auftragens einer Beschichtungszusammensetzung auf zumindest einen Teil einer zur Abgabe von Wärme an ein Kühlmedium eingerichteten Oberfläche, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein Polymerharz und Sand mit einem D₅₀-Wert der Korngrößenverteilung, ermittelt gemäß DIN EN 933, von ≥ 0,3 mm umfasst.
Verwendung einer Beschichtungszusammensetzung umfassend ein Polymerharz und Sand mit einem D₅₀-Wert der Korngrößenverteilung, ermittelt gemäß DIN EN 933, von ≥ 0,3 mm zur Beeinflussung der Wärmeabfuhr und/oder der Beeinflussung der Außentemperatur eines Wärmetauschers.
Verwendung gemäß Anspruch 14, wobei die Beschichtungszusammensetzung ein Silikonharz und Sand umfasst.