DE10257251A1

DE10257251A1 - Durchlauferhitzer

Info

Publication number: DE10257251A1
Application number: DE10257251A
Authority: DE
Inventors: Helmut Ohnmacht; Rudi Kitt
Original assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Current assignee: Eichenauer Heizelemente GmbH and Co KG
Priority date: 2001-12-14
Filing date: 2002-12-07
Publication date: 2003-06-26
Also published as: DE20121108U1

Abstract

Beschrieben wird ein Durchlauferhitzer mit einem Durchlaufrohr (2), welches eine auf einer Innenwand aufgebrachte Beschichtung (3) aufweist, und einer mit dem Durchlaufrohr (2) wärmeleitend verbundenen Heizeinrichtung (4). Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Beschichtung (3) aus einem Nanokomposit besteht und im wesentlichen fluorfrei ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Durchlauferhitzer mit den im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Merkmalen. Ein derartiger Durchlauferhitzer ist aus der DE-U-94 04 908 bekannt.
Bekannte Durchlauferhitzer, beispielsweise für Kaffeemaschinen, weisen auf einer Innenwand eines Durchlaufrohres eine Beschichtung auf, welche ein Ansetzen von beim Erhitzen aus dem Wasser ausfallendem Kalk erschwert. Setzen sich nämlich Kalkablagerungen an der Innenwand des Durchlaufrohres fest, so verschlechtern diese die Wärmeankopplung des zu erhitzenden Wassers an den Heizkörper. Dies führt nicht nur zu einem höheren Energieverbrauch und/oder einer niedrigeren Temperatur des erwärmten Wassers, sondern auch zu höheren Betriebstemperaturen des Heizkörpers, was dessen Lebensdauer verkürzt und zu einer gefährlichen Überhitzung führen kann. Abplatzende Kalkablagerungen können auch zu einer Verstopfung des Durchlauferhitzers führen und Filter erforderlich machen, damit das erwärmte Wasser ohne Verunreinigungen durch Kalkablagerungen nutzbar ist.
Die DE-U-94 04 908 lehrt, zum Schutz vor Kalkablagerungen eine Beschichtung auf der Basis von fluorhaltigen anorganischen Polykondensaten, wie sie in der DE-OS 41 18 184 beschrieben ist, zu verwenden. Insbesondere bei sehr hartem Wasser treten jedoch trotzdem Kalkablagerungen auf, so daß in regelmäßigen Zeitabständen eine Entkalkung des Durchlauferhitzers erforderlich ist. Nachteilig an einer solchen Beschichtung mit fluorhaltigen anorganischen Polykondensaten ist, daß eine solche Beschichtung nicht hinreichend beständig gegen handelsübliche Entkalkungsmittel ist, so daß eine anhaltende Beschichtungswirkung nicht gewährleistet werden kann. Nachteilig an einer solchen Beschichtung auf der Basis von fluorhaltigen anorganischen Polykondensaten ist ferner, daß beim Betrieb des Durchlauferhitzers eine starke Bildung von Wasserdampfblasen auftritt, welche zu einem störend lauten Betriebsgeräusch führen.
Bekannt ist es auch, die Innenwand des Durchlaufrohres durch Emaillieren zu beschichten. Eine solche Beschichtung weist zwar eine hervorragende chemische Beständigkeit auf, hat aber nicht nur den Nachteil teuer zu sein, sondern neigt auch aufgrund des Unterschiedes zwischen den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von für das Durchlaufrohr gebräuchlichen Materialien (z. B. Edelstahl, Aluminium) und der Beschichtung zum Abplatzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Durchlauferhitzer zur Verfügung zu stellen, welcher vor Kalkablagerungen geschützt ist, kostengünstig zu fertigen ist, eine hohe Lebensdauer aufweist und einen geräuscharmen Betrieb gewährleistet.
Diese Aufgabe wird durch einen Durchlauferhitzer mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Unter einem Nanokomposit wird im Sinne der Anmeldung ein Verbundwerkstoff verstanden, welcher nanoskalige Partikel enthält, die in einem Matrix-Werkstoff eingebettet sind, welcher bevorzugt aus einem anorganischen Polykondensat gebildet ist beispielsweise aber auch als Email ausgeführt sein kann. Unter nanoskaligen Partikeln sind Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht mehr als 200 nm, bevorzugt nicht mehr als 100 nm, besonders bevorzugt nicht mehr als 50 nm und insbesondere nicht mehr als 30 nm zu verstehen. Die durchschnittliche Teilchengröße ist dabei gewichtet aus der Häufigkeitsverteilung der einzelnen Teilchengrößen zu bestimmen.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, daß eine im wesentlichen fluorfreie Beschichtung, welche aus einem Nanokomposit besteht, einen zuverlässigen Schutz vor Kalkablagerungen bietet und zugleich gegen Entkalkungsmittel und andere gebräuchliche Reinigungsmittel beständig ist, welche teilweise die aus der DE-U-94 04 908 bekannte Beschichtung angreifen. Es wird vermutet, daß die nanoskaligen Partikel für die erhöhte Beständigkeit der Beschichtung verantwortlich sind, wobei die Fluorfreiheit des Matrix-Werkstoffes eine gute Einbettung der nanoskaligen Partikel gewährleistet. Die im Stand der Technik gebräuchlichen fluorhaltigen Beschichtungen weisen eine geringe Oberflächenenergie auf, so daß diese eine an sich ausgezeichnete Antihaftwirkung haben. Aus diesem Grund empfiehlt auch die DE-U-94 04 908 ausdrücklich die Verwendung einer Beschichtung auf der Basis von fluorhaltigen anorganischen Polykondensaten. Überraschenderweise bewirkt aber auch eine im wesentlichen fluorfreie Beschichtung aus einem Nanokomposit trotz ihrer an sich höheren Oberflächenenergie einen hervorragenden Schutz vor Kalkablagerungen.
Darüberhinaus zeichnet sich ein erfindungsgemäßer Durchlauferhitzer - vermutlich wegen des Fehlens von Fluor - vorteilhaft durch einen geräuscharmen Betrieb aus, insbesondere treten keine unangenehm lauten, blubbernden Geräusche mehr auf. Eine solche fluorfreie Beschichtung hat überraschenderweise zudem den Vorteil, daß sich die Wärmeankopplung des Wassers an die Heizeinrichtung des Durchlauferhitzers wesentlich verbessert. Diese bessere Wärmeankopplung beruht nicht nur auf einer Vermeidung von Kalkablagerungen, sondern tritt auch im Vergleich zu einem neuen und noch kalkfreien herkömmlich beschichteten Durchlauferhitzer auf. Vorteilhaft verringert sich dadurch die Oberflächentemperatur der Heizeinrichtung im Betrieb, so daß die Heizeinrichtung weniger stark beansprucht wird und sich seine Lebensdauer erhöht. Hinzu kommt - wie ausgeführt - die Antihaftwirkung einer Beschichtung aus einem Nanokomposit, welche Kalkablagerungen ebenfalls entgegenwirkt. Trotz des Verzichts auf das üblicherweise verwendete Fluor bietet eine erfindungsgemäße Beschichtung daher überraschenderweise einen verbesserten und zuverlässigen Schutz vor Kalkablagerungen.
Während sich die bekannten Beschichtungen auf der Basis von fluorhaltigen anorganischen Polykondensaten mühelos in den gewohnten Fertigungsprozessen aufbringen lassen, erfordert die Fertigung von erfindungsgemäßen Durchlauferhitzern mit einer im wesentlichen fluorfreien Beschichtung in der Fertigung ein Umdenken. Die üblicherweise beim Löten verwendeten Flußmittel enthalten nämlich stets eine beträchtliche Menge Fluor, welches beim Lötvorgang austritt. Aus diesem Grund müssen beim Fertigungsprozeß zusätzliche Maßnahmen ergriffen werden, welche verhindern, daß aus dem Flußmittel austretendes Fluor von der aushärtenden Beschichtung aufgenommen wird. Dies läßt sich beispielsweise dadurch erreichen, daß das Aushärten der Beschichtung erst nach Abschluß aller Lötvorgänge in einem separaten dafür vorgesehenen Ofen erfolgt, wobei Flußmittelreste vor dem Einbringen in den Ofen sorgfältig zu entfernen sind.
Bei einem Nanokomposit ergänzen sich vorteilhaft die Materialeigenschaften der nanoskaligen Partikel, welche grundsätzlich amorph oder kristallin sein können, mit den Materialeigenschaften der diese Partikel umgebenden Matrix. Vorteilhaft weist eine solche Beschichtung eine höhere mechanische und chemische Beständigkeit sowie eine ausgezeichnete Haftung auf Metalloberflächen auf.
Wie beispielsweise in der DE 197 14 949 A1 beschrieben ist, läßt sich ein Nanokomposit in einem Sol-Gel-Prozeß aufbringen und enthält nanoskalige Partikel, welche in eine glasartige Matrix eingebettet sind. Der Sol-Gel-Prozeß ermöglicht nicht nur ein einfaches Aufbringen der Beschichtung, beispielsweise durch Aufsprühen eines Beschichtungs-Sols oder Durchspülen des Durchlaufrohres, sondern liefert auch ohne Schwierigkeiten hermetisch abschließende Schichten mit einer Dicke von einigen Mikrometern.
Bevorzugt enthält die Beschichtung nanoskalige Teilchen in einem Volumenanteil zwischen 10% und 80%, bevorzugt zwischen 20% und 50%. Geringere Mengen an nanoskaligen Teilchen führen zu einem Verspröden der Beschichtung, während zu große Mengen an nanoskaligen Teilchen zu einer schlechteren Haftung der Schicht führen.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung nanoskalige SiO₂-Teilchen enthält. Diese Maßnahme hat den Vorteil, daß einer Versprödung der Beschichtung und damit einem Abplatzen entgegengewirkt wird. Vorteilhaft wird somit die Haftung der Beschichtung an der Innenwand des Durchlaufrohres verbessert und die Lebensdauer des Durchlauferhitzers weiter erhöht.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung ein Alkali- oder Erdalkalimetalloxid enthält. Vorteilhaft wird dadurch eine dichtere und damit widerstandsfähigere Beschichtung erreicht. Neben dem Vorteil einer höheren Dichte der Beschichtung bewirken Oxide von Alkali- oder Erdalkalimetallen auch eine verbesserte Anpassung des thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Beschichtung an den thermischen Ausdehnungskoeffizienten des Durchlaufrohres, so daß die Haftung der Beschichtung weiter verbessert wird. Besonders bevorzugt ist Natriumoxid.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung polykondensierte Silane enthält. Polykondensierte Silane verbinden sich ausgezeichnet mit nanoskaligen SiO₂-Teilchen und bilden dabei eine glasartige Matrix, so daß sich eine ausgesprochen widerstandsfähige Beschichtung ergibt. Eine solche Beschichtung läßt sich nicht nur kostengünstig herstellen, sondern weist auch eine hervorragende mechanische und chemische Beständigkeit auf.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung auf der Innenwand wenigstens eines im wesentlichen gerade verlaufenden Endabschnittes des Durchlaufrohres aufgebracht ist. Das durch das Durchlaufrohr strömende Wasser ist naturgemäß am heißesten, wenn es durch einen Endabschnitt des Durchlaufrohres strömt. Demnach fällt auch in diesem Bereich am meisten Kalk aus und die Gefahr einer Verkalkung ist dort besonders ausgeprägt. Gebogene Abschnitte des Durchlaufrohres weisen aus fertigungstechnischen Gründen eine erhöhte Anzahl von Unebenheiten auf, welche zu einer höheren Beschichtungsdicke und dadurch zu einem Abplatzen führen können. Ein Durchlaufrohr mit einem im wesentlichen gerade verlaufenden Endabschnitt, weist in seinem Endabschnitt wesentlich weniger Unebenheiten und erleichtert daher das Aufbringen einer definierten Beschichtungsdicke auf. Darüberhinaus ist die Temperatur des aus dem Durchlaufrohr austretenden Wasser, also im Bereich eines Endabschnittes am höchsten, so daß dort auch am meisten Kalk ausfällt und ein Schutz vor Kalkablagerungen am wichtigsten ist. Bevorzugt ist die Beschichtung daher auf der Innenwand des Endabschnittes aufgebracht. Hierdurch ist die Lebensdauer eines erfindungsgemäßen Durchlauferhitzers weiter erhöht ist. Vorteilhaft wird durch diese Maßnahme das Durchlaufrohr dort vor Verkalkung geschützt, wo es nötig ist. Vorteilhaft kann man, um die Fertigungskosten zu senken, auf eine Beschichtung in den übrigen Bereichen des Durchlaufrohres dadurch verzichten.
Eine weitere vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, daß die Beschichtung eingefärbt ist. Eine farbige Beschichtung ist nicht nur optisch ansprechend, sie hat auch den weiteren Vorteil, daß es bei einer farbigen Beschichtung möglich ist, eine optische Kontrolle, insbesondere durch Augenschein, durchzuführen, ob die Beschichtung gleichmäßig und lückenlos aufgetragen wurde.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung werden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Durchlauferhitzer im Querschnitt und
Fig. 2 den in Fig. 1 gezeigten Durchlauferhitzer in einer Draufsicht.
Der in den Fig. 1 und 2 gezeigte Durchlauferhitzer 1 weist ein Durchlaufrohr 2 auf, welches mittels Klammern 5 mit einer elektrischen Heizeinrichtung 4 verbunden ist. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Heizeinrichtung 4 als Rohrheizkörper ausgeführt, doch sind beispielsweise auch Dickschichtheizer oder andere Heizwiderstände geeignet. Im Betrieb des Durchlauferhitzers 1 wird durch das Durchlaufrohr 2 strömendes Wasser erhitzt, wobei im Wasser gelöster Kalk ausfällt. Um eine Ablagerung ausgefallener Kalkpartikel zu verhindern, weist die Innenwand des Durchlaufrohres 2 eine Beschichtung 3 aus einem Nanokomposit auf. Dieses Nanokomposit besteht aus nanoskaligen SiO₂-Teilchen, welche in eine Matrix aus polykondensierten Silanen eingebettet sind. Eine solche Beschichtung 3 läßt sich, wie beispielsweise in der DE 197 14 949 A1 beschrieben ist, durch einen Sol-Gel-Prozeß aufbringen. Das Aufbringen kann beispielsweise durch Durchspülen, Tauchen oder (Aufsprühen) erfolgen. Anschließend wird es getrocknet und dann bei mindestens 350° bis 500° in Luft oder Stickstoffatmosphäre ausgehärtet. Die sich ergebende Beschichtung 3 ist mechanisch und chemisch widerstandsfähig, haftet gut auf Aluminium oder Edelstahl, weiches bevorzugte Materialien für das Durchlaufrohr 2 sind, und bietet einen zuverlässigen Schutz vor Kalkablagerungen. Darüberhinaus ist sie hitzebeständig bis 500°C. Die nanoskaligen SiO₂-Teilchen machen die Beschichtung 3 flexibler und wirken somit einem Abplatzen entgegen. Außerdem erhöhen die nanoskaligen SiO₂-Teilchen die mechanische und thermische Widerstandsfähigkeit der Beschichtung 3.
Die Beschichtung 3 enthält ferner Natriumoxid, welches den Wärmeausdehnungskoeffizienten der Beschichtung 3 an jenen von Edelstahl annähert, so daß einem Abplatzen der Beschichtung 3 aufgrund von thermischen Spannungen verhindert ist. Im Unterschied zu der im Stand der Technik gebräuchlichen Beschichtung auf der Basis von fluorhaltigen anorganischen Polykondensaten, ist die Beschichtung 3 des beschriebenen Durchlauferhitzers 1 im wesentlichen fluorfrei. Fluorhaltige Beschichtungen weisen zwar den Vorteil auf, eine erhöhte Antihaftwirkung zu besitzen, haben jedoch den gravierenden Nachteil, daß fluorhaltige Beschichtungen hydrophob sind. Dies hat zur Folge, daß sich bildender Wasserdampf an derartigen Schichten haftet und im Durchlaufrohr strömendes Wasser thermisch von dem Heizkörper 4 isoliert und darüberhinaus laute Geräusche verursacht. Die beschriebene fluorfreie Beschichtung 3 gewährleistet demgegenüber stets eine gute thermische Ankopplung des Wassers an den Heizkörper 4, so daß eine Überhitzung des Heizkörpers 4 verhindert ist.
Das Durchlaufrohr 2 weist zwei im wesentlichen gerade verlaufende Endabschnitte 6 auf. Naturgemäß ist das durch das Durchlaufrohr strömende Wasser in einem Endabschnitt 6 des Durchlaufrohres am heißesten, so daß in diesem Bereich auch am meisten Kalk ausfällt. Da somit auch die Gefahr von Kalkablagerungen an einem Endabschnitt 6 am größten ist, kann es daher genügen, das Durchlaufrohr nur in einem gerade verlaufenden Endabschnitt 6 zu beschichten. Der Vorteil eines im wesentlichen gerade verlaufenden Endabschnittes 6 besteht nun darin, daß die Innenwand in einem solchen gerade verlaufenden Abschnitt aus fertigungstechnischen Gründen glatter ist, als in einem gebogenen Abschnitt. Aus fertigungstechnischen Gründen weist die Innenwand des Durchlaufrohres nämlich in den gebogenen Bereichen eine Reihe von Unebenheiten auf, welche zu einer erhöhten Schichtdicke und dadurch zu einem Abplatzen führen können.
Ein gerade verlaufender Endabschnitt 6 erleichtert das Aufbringen einer definierten Beschichtungsdicke somit gerade in jenem Bereich, wo ein Schutz vor Kalkablagerungen aufgrund der hohen Temperaturen des auslaufenden Wasser am dringendsten benötigt wird.
Eine gut geeignete Beschichtung läßt sich beispielsweise auf folgendem Wege herstellen: 25 ml Methyltriethoxysilan werden mit 7 ml Tetraethoxysilan und 0,8 g Natriumhydroxid oder Kaliumhydroxid mindestens zwölf Stunden bei Raumtemperatur gerührt, bis sich das gesamte Hydroxid gelöst hat und eine klare gelbe Lösung vorliegt, wobei sich nanoskalige SiO₂-Teilchen in situ bilden. Zur Erhöhung des Gehaltes an nanoskaligen SiO₂-Teilchen lassen sich den Ausgangssubstanzen auch einige Gramm eines Kiesel-Sols (z. B. Bayer-Kiesel-Sol Typ 300) zusetzen. Anschließend werden 3,2 ml Wasser bei Raumtemperatur langsam zugetropft, wobei sich die Lösung erwärmt. Nach Beendigung der Wasserzugabe wird die klare gelbe Lösung bei Raumtemperatur gerührt, bis sie wieder abgekühlt ist, und anschließend über einen Filter mit einer Porengröße von 0,8 µm filtriert. Zum besseren Aufbringen der Lösung kann dieses Grundmaterial mit einem Lösungsmittel (z. B. Isopropanol), vorzugsweise mit einem höhersiedenden Lösungsmittel, und Benetzungshilfsmitteln ergänzt werden. Dieses Natrium bzw. Kaliumsilikatbeschichtungs-Sol wird anschließend auf die Oberseite des Gefäßbodens aufgesprüht, getrocknet und bei mindestens 350°C bis 500°C unter Stickstoff oder Luftatmosphäre ausgehärtet und verdichtet. Anstelle des Methyltriethoxysilan lassen sich bevorzugt insbesondere auch Methyltrimethoxysilan, Ethyltriethoxysilan oder Methyltrimethoxysilan verwenden. Anstelle von Tetraethoxysilan ist auch Tetramethoxysilan gut geeignet.
Um eine farbige Beschichtung zu erhalten, können dem Beschichtungs-Sol temperaturbeständige Farbstoffe, beispielsweise Azofarbstoffe wie Methylorange, Alizaringelb oder Kongorot oder auch Dispersionsfarbstoffe, Triphenylmethanfarbstoffe oder färbende Metallsalze zugefügt werden.

Claims

1. Durchlauferhitzer mit einem Durchlaufrohr (2), welches eine auf einer Innenwand aufgebrachte Beschichtung (3) aufweist, und einer mit dem Durchlaufrohr (2) wärmeleitend verbundene Heizeinrichtung (4), dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) aus einem Nanokomposit besteht und im wesentlichen fluorfrei ist.

2. Durchlauferhitzer nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung nanoskalige Teilchen in einem Volumenanteil zwischen 10% und 80%, bevorzugt zwischen 20% und 50% enthält.

3. Durchlauferhitzer nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) nanoskalige SiO₂-Teilchen enthält.

4. Durchlauferhitzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) ein Alkali- oder Erdalkalimetalloxid enthält.

5. Durchlauferhitzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) Natriumoxid enthält.

6. Durchlauferhitzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) polykondensierte Silane enthält.

7. Durchlauferhitzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchlaufrohr (2) mindestens einen im wesentlichen gerade verlaufenden Endabschnitt (6) aufweist und die Beschichtung (3) im wesentlichen auf der Innenwand mindestens einen des Endabschnitts (6) aufgebracht ist.

8. Durchlauferhitzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) durch Hydrolyse und Polykondensation von Ethoxy- und/oder Methoxysilanen gebildet ist.

9. Durchlauferhitzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) durch Hydrolyse und Polykondensation eines oder mehrere Silane, welche einen Methyl-, Ethyl- oder Phenylrest aufweisen, gebildet ist.

10. Durchlauferhitzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) durch Hydrolyse und Polykondensation mindestens eines der folgenden Silane, Methyltrimethoxysilan, Ethyltriethoxysilan, Methyltriethoxysilan oder Ethyltrimethoxysilan in Kombination mit mindestens einem der folgenden Silane Tetramethoxysilan oder Tetraethoxysilan gebildet ist.

11. Durchlauferhitzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung (3) eingefärbt ist.

12. Durchlauferhitzer nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung nanoskalige Teilchen mit einer durchschnittlichen Teilchengröße von nicht mehr als 200 nm, bevorzugt nicht mehr als 100 nm, besonders bevorzugt nicht mehr als 50 nm und insbesondere nicht mehr als 30 nm enthält.