DE102013215386A1

DE102013215386A1 - Wärmeübertrager aus Aluminium und Verfahren zur Erzeugung einer Oberflächenbeschichtung auf einem Wärmeübertrager aus Aluminium

Info

Publication number: DE102013215386A1
Application number: DE102013215386.4A
Authority: DE
Inventors: Oliver Mamber; Jörg Schaper; Peter Englert; Nadine Conrad; Müjdat Andic
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2013-08-05
Filing date: 2013-08-05
Publication date: 2015-02-05

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager aus Aluminium, welcher eine Oberflächenbeschichtung aufweist. Bei einem solchen Wärmeübertrager weist die Oberflächenbeschichtung organische Polymere sowie anorganische Bestandteile auf.

Description

Technisches Gebiet
Die Erfindung betrifft einen Wärmeübertrager aus Aluminium nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 und ein Verfahren zur Erzeugung einer Oberflächenbeschichtung auf einem Wärmeübertrager aus Aluminium nach dem Oberbegriff von Anspruch 6.
Stand der Technik
Wärmeübertrager, die in modernen Kraftfahrzeugen, wie PKW, LKW bzw. Baufahrzeugen, eingesetzt werden, sind aus Gründen eines niedrigen Gewichtes und einer guten Wärmeleitung aus Aluminium bzw. Aluminiumlegierungen hergestellt. Solche Wärmeübertrager kommen dabei sowohl als Bestandteil von Klimaanlagen, z. B. als Kondensatoren oder Verdampfer, oder auch als Bestandteil von Motorkühlkreisläufen, z. B. als Kühlmittelkühler, Ladeluftkühler oder Ölkühler, zum Einsatz. Darüber hinaus ist auch ein Einsatz zur Elektronikkühlung sowie zur Abgasnachbehandlung in Abgaskühlern vorgesehen.
Ein solcher Wärmeübertrager ist während seines Einsatzes im Kraftfahrzeug einer Reihe von korrosiven Belastungen ausgesetzt, sei es durch Regenwasser, Kondenswasser, Staub oder Abgase. Die Art der Belastung hängt vom Einbauort sowie Betriebsbedingungen des Wärmeübertragers ab.
Die eingesetzten Aluminiumlegierungen weisen eine hinreichende Korrosionsbeständigkeit gegenüber durchschnittlichen Belastungen der beschriebenen korrosiven Mittel auf. Die Resistenz des Aluminiums gegenüber Wasser und Natriumchlorid wird in standardisierten Korrosionstests bei der Entwicklung des Wärmeübertragers überprüft. Solche standardisierten Tests versagen allerdings in Einsatzbereichen mit hoher Staub- und Luftschadstoff-Belastung, wo es häufig zu Frühausfällen des Wärmeübertragers kommt.
Darüber hinaus gibt es in Anwendungen elektrisch angetriebener (sogenannter „drückender”) Lüfter regelmäßig Ausfälle durch Hängenbleiben von Kupferpartikeln in Form eines Abriebes von Bürsten und Kollektoren, die in Verbindung mit Feuchtigkeit und Elektrolyten, vorzugsweise Salz, Ausfälle durch Kontaktkorrosion hervorrufen.
Auch aggressive Reiniger, die beabsichtigt oder unbeabsichtigt auf den Wärmeübertrager gelangen, tragen zu einem Frühausfall des Wärmeübertragers bei.
Solche Frühausfälle des Wärmeübertragers in Kraftfahrzeugen ziehen hohe Reparaturkosten nach sich und stellen einen Imageverlust für den Fahrzeug-Hersteller bzw. den Wärmeübertrager-Hersteller dar.
Aus der JP-2005-257257 A ist es bekannt, einen Aluminiumwärmeübertrager mit dünnen Passivierungsschichten zu versehen, um diesen vor Korrosion zu schützen. Dabei werden sogenannte Konversionsschichten erzeugt, welche aber bei der Einwirkung stark saurer oder stark alkalischer Lösungen versagen, da sie chemisch aufgelöst werden.
Es ist bekannt, dass Wärmeübertrager mit einer ein- oder beidseitigen Spritz- oder Pulverlackierung versehen werden. Eine solche Spritz- oder Pulverlackierung dringt verfahrensbedingt nur wenige Millimeter in das Netz des Aluminiumwärmeübertragers ein, so dass dort kein Schutz vorliegt. Auch Tauchlackierungen des Wärmeübertragers benötigen für einen wirkungsvollen Korrosionsschutz eine gewisse Schichtdicke, die aber zu einer ungewünschten Reduzierung der Wärmeübertragungsleistung führen.
Aus der DE 10 2007 057 777 A1 ist es bekannt, Aluminiumzierteile des Kraftfahrzeuges anodisch zu oxidieren und dann zusätzlich durch eine, die Poren der Oxidschicht verschließenden Deckschicht aus Oxidhydraten oder glasartigen Substanzen zu versiegeln, um sie vor Korrosion in stark saurem bzw. stark basischem Milieu zu schützen. Dieses Verfahren ist aber für die komplizierte Geometrie des Wärmeübertragers nicht geeignet, da nicht alle inneren Bereiche des Wärmetauschers dadurch erreicht werden.
Darstellung der Erfindung, Aufgabe, Lösung, Vorteile
Es ist die Aufgabe der Erfindung, einen Wärmeübertrager aus Aluminium anzugeben, welcher eine Beschichtung aufweist, die resistent gegen die Wirkung sowohl aggressiv saurer Belastungen als auch aggressiv alkalischer Belastungen ist, um frühzeitige Ausfälle des Wärmeübertragers in Kraftfahrzeugen zu unterbinden.
Dies wird mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst.
Ein Ausführungsbeispiel betrifft einen Wärmeübertrager aus Aluminium, welcher eine Oberflächenbeschichtung aus organischen Polymeren sowie organischen Bestandteilen aufweist. Eine solche Oberflächenbeschichtung ist sowohl gegen aggressive basische als auch gegen aggressive saure Bestandteile unempfindlich und macht die Oberfläche auch resistent gegen die Einwirkung aggressiver Auftausalze, insbesondere sogenannter Haftsalze. Gleichzeitig wird durch diese neuartige Beschichtung ein wirksamer Schutz gegen Kontaktkorrosion durch Schwermetalle, insbesondere Kupfer, erzeugt. Darüber hinaus weist die Beschichtung, insbesondere bei Wärmeübertragern des Front-End-Bereiches des Kraftfahrzeuges im Bereich der luftangeströmten Seite des Wärmeübertragers eine gute Resistenz gegen Steinschlag und Abrieb auf.
Vorteilhafterweise enthält die Oberflächenbeschichtung Nanopartikel, die sich in vorteilhafter Weise mit der Aluminiumoberfläche verbinden. Solche Nanopartikel finden in einem sogenannten Sol-Gel-Prozess Anwendung.
In einer Ausgestaltung sind die organischen Polymere als Netzwerkbildner ausgebildet. Solche Netzwerkbildner führen zu interpenetrierenden Netzwerken bzw. zu Hybridpolymeren, bei denen Polymerketten dreidimensional miteinander verknüpft sind. Dadurch wird eine ausgesprochen stabile und festhaftende Oberflächenbeschichtung an dem aus Aluminium bestehenden Wärmeübertrager erzielt.
In einer Variante besteht die Oberflächenbeschichtung aus einer Kombination verschiedener Netzwerkbildner. Durch die Kombination verschiedener Polymerarten, die als Netzwerkbildner wirken, wird die chemische Verbindung, welche das organische Polymer und die anorganischen Substanzen mit dem Aluminium eingehen, verstärkt, so dass diese Oberflächenbeschichtung, egal ob diese einer chemischen und/oder mechanischen Beanspruchung unterliegt, fest an dem Wärmeübertrager haftet.
In einer Ausführungsform weist die Oberflächenbeschichtung eine Schichtdicke von 1 bis 25 μm, vorzugsweise von 2 bis 10 μm, auf. Trotz dieser geringen Schichtdicke entsteht eine Oberflächenbeschichtung, die sowohl gegen starke saure als auch starke basische Einflüsse und auch gegenüber mechanischen Einflüssen, wie Steinschlag und Abrieb, resistent ist. Darüber hinaus besteht ein wirksamer Schutz gegen Kontaktkorrosion durch Schwermetalle. Obwohl der Wärmeübertrager aus Aluminium mit einer solchen Oberflächenbeschichtung versehen ist, wird eine ausreichende Wärmeübertragungsleistung des Wärmeübertragers gewährleistet.
Eine Weiterbildung der Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erzeugung einer Oberflächenbeschichtung auf einem Wärmeübertrager aus Aluminium. Bei einem solchen Verfahren wird der Wärmeübertrager zu dessen allseitiger Beschichtung in ein, organische Polymere sowie anorganische Bestandteile beinhaltendes Medium getaucht oder von einem solchen Medium geflutet. Diese Vorgehensweise gewährleistet, dass alle Oberflächenbereiche des Wärmeübertragers lückenlos mit dem Medium benetzt werden, woraus sich eine geschlossene Oberflächenbeschichtung ergibt.
Um das Beschichtungsmedium gleichmäßig über der gesamten Oberfläche des Wärmeübertragers zu verteilen, wird dieses nach dem Beschichtungsvorgang mit Druckluft ausgeblasen.
In einer Variante wird der beschichtete Wärmeübertrager zur Bildung einer Vernetzung der organischen Polymere mit dem Aluminium thermisch behandelt. Diese thermische Behandlung zielt darauf ab, dass die organischen Polymere unter Wärmeeinwirkung eine unlösbare dreidimensionale Verbindung der Polymerketten mit dem Aluminium eingehen.
Vorzugsweise erfolgt die thermische Behandlung mittels kompakter Strahlungsquellen. Solche kompakte Strahlungsquellen, wie UV-, IR-, NIR-Strahlern oder Porenbrennern, erlauben ein schnelles Aufheizen des Beschichtungsmediums und somit ein schnelles Vernetzen des Beschichtungsmediums mit dem Aluminium.
Um den Polymerisationsprozess zu verbessern, wird der beschichtete Wärmeübertrager einer weiteren thermischen Behandlung in Form eines Hochtemperaturprozesses ausgesetzt.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind durch die Unteransprüche beschrieben.
Bevorzugte Ausführung der Erfindung
In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht die Beschichtung aus Lösemittel-basiertem 1K-Polysiloxan-Urethan-Harz. Der aus Aluminium bestehende Wärmeübertrager wird dabei solange in dieses Medium getaucht, bis annähernd eine Schichtstärke von 5 bis 10 μm auf dem Wärmeübertrager aufgetragen ist. Nach Abschluss des Tauchvorganges wird der Wärmeübertrager mit Druckluft ausgespritzt. Durch einen anschließenden thermischen Prozess erfolgt ein Polymerisationsvorgang, in welchem die Vernetzung des 1K-Polysiloxan-Urethan-Harzes mit dem Aluminium unterstützt wird.
Bei einem zweiten Ausführungsbeispiel besteht die Beschichtung des Aluminium-Wärmeübertragers aus einem wässrigen Vinyl-Harz mit Zirkonammoniumcarbonat und Natriummetavanadat. Auch dieser Wärmeübertrager wird in das entsprechende Medium getaucht, wobei eine Schichtdicke von 1 bis 5 μm aufgetragen wird. Nach dem Tauchen erfolgt wiederum ein Ausblasen des Wärmeübertragers mit Druckluft und eine Temperaturbehandlung zum schnellen Aufheizen zur Beschleunigung des Polymerisationsprozesses.
In einem dritten Ausführungsbeispiel besteht die Beschichtung aus wässriger Polyester-Melamin-Harz-Dispersion, mit welcher eine Schichtdicke von 15 bis 25 μm eingestellt wird. Auch hier wird nach dem Tauchvorgang, welcher solange ausgeführt wird, bis die gewünschte Schichtdicke erreicht ist, ein Ausblasen mit Druckluft und eine anschließende thermische Behandlung durchgeführt.
Die erläuterte Lösung erhöht die Lebensdauer von Wärmeübertragern aus Aluminium und verhindert Frühausfälle in Kraftfahrzeugen. Darüber hinaus besitzt das beschriebene Verfahren einen Kostenvorteil durch die Verwendung des Tauchens und Flutens und der die Bestrahlung unterstützten Vernetzung gegenüber dem Einsatz von Trockenöfen nach dem Lackieren mit hohem Platzbedarf und langer Durchlaufzeiten.
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

JP 2005-257257 A [0008]
DE 102007057777 A1 [0010]

Claims

Wärmeübertrager aus Aluminium, welcher eine Oberflächenbeschichtung aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung organische Polymere sowie anorganische Bestandteile aufweist.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung Nanopartikel enthält.
Wärmeübertrager nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die organischen Polymere als Netzwerkbildner ausgebildet sind.
Wärmeübertrager nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung aus einer Kombination verschiedener Netzwerkbildner besteht.
Wärmeübertrager nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Oberflächenbeschichtung eine Schichtdicke zwischen 1 bis 25 μm, vorzugsweise zwischen 2 bis 10 μm, aufweist.
Verfahren zur Erzeugung einer Oberflächenbeschichtung auf einem Wärmeübertrager aus Aluminium, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager zu dessen allseitiger Beschichtung in ein, organische Polymere sowie anorganische Bestandteile beinhaltendes Medium getaucht wird oder von einem solchen Medium geflutet wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmeübertrager nach dem Beschichtungsvorgang mit Druckluft ausgeblasen wird.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass der beschichtete Wärmeübertrager zur Bildung einer Vernetzung der organischen Polymere sowie der anorganischen Bestandteile thermisch behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung mittels kompakter Strahlungsquellen erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass eine weitere thermische Behandlung mit mindestens einem Hochtemperaturprozess erfolgt.