DE3013363A1

DE3013363A1 - Automatische zugabe eines korrosionsinhibators zu einem kuehlsystem durch osmotischen druck

Info

Publication number: DE3013363A1
Application number: DE19803013363
Authority: DE
Inventors: Robert Harold Krueger
Original assignee: Borg Warner Corp
Current assignee: Borg Warner Corp
Priority date: 1979-05-17
Filing date: 1980-04-05
Publication date: 1980-11-20
Also published as: GB2050864B; US4357236A; ES8103270A1; IT1141274B; GB2050864A; ES491409A0; FR2456839A1; SE8002566L; ES8103271A1; JPS5914607B2; IT8021384A0; ZA802467B; BR8002959A; ES491412A0; CA1128013A; JPS55153814A

Description

Automatische Zugabe eines Korrosionsinhibitors zu einem Kühlsystem durch osmotischen Druck

Die von der Automobilindustrie für das Kühlsystem eines Fahrzeuges verwendeten Motorkühlmittel enthalten gewöhnlich Äthylenglykol mit einem geringen Prozentsatz von Diäthylenglykol in Wasser verdünnt, um je nach dem gewünschten Gefrierpunkt für das Kühlsystem eine 50]4-ige oder eine niedrigere Glykolkonzentration vorzusehen. Die meisten Firmen, die die Motorkühlmittel herstellen und/oder vertreiben, setzen der Lösung Korrosionsinhibitoren zu, um eine Korrosion der Kupfer-Messing-Materialien zu verhindern, die üblicherweise bei der Herstellung von Fahrzeugkühlern verwendet werden. Diese Inhibitoren stellen normalerweise ein Gemisch aus einem oder mehreren anorganischen Salzen, wie beispielsweise Phosphaten, Boraten, Nitraten, Nitriten, Silikaten oder Arsenaten, und einer organischen Verbindung, wie beispielsweise Benzotriazol, Tolyltriazol oder Mercaptobenzothiazol, dar, um eine Korrosion des Kupfers zu verhindern. Die Lösung ist normalerweise auf einen pH-Wert von 8-10 abgepuffert, um die Eisenkorrosion zu reduzieren und die bei der Oxydation von Äthylenglykol gebildete Glykolsäure zu neutralisieren.

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Die meisten Hersteller empfehlen als Maximum eine einjährige oder zweijährige Wartung für ihr Frostschutzkühlmittel. Der durchschnittliche Fahrzeugbesitzer unternimmt jedoch keinerlei Anstrengungen, um diesen Anweisungen zu folgen und einen Schutz bis auf -20 F für das Kühlsystem aufrechtzuerhalten. Der Fahrzeugbesitzer überprüft im allgemeinen auch nicht das Kühlmittel, ob es inzwischen rostig oder schmutzig geworden ist. Viele Fahrzeugbesitzer setzen dem Kühlsystem nur Wasser zu, wenn das Frostschutzmittel durch leckende oder gebrochene Schläuche verlorengegangen ist.

Was die normale Wartung von Personenkraftwagen anbetrifft, so erfordern 25% der neuen Fahrzeuge schon nach einem Jahr eine Wartung des Kühlsystems, wobei dieser Prozentsatz nach zwei Jahren auf 50% ansteigt. Bei einem herkömmlich ausgebildeten Kupfer-Messing-Kühler ist es von größter Bedeutung, daß das Frostschutzmittel- oder Kühlmittelgemisch 50 bis 55% richtig inhibiertes Äthylenklykol enthält. Eine Reduzierung der Glykolkonzentratxon auf ein Gemisch von 33% Äthylenglykol und 67% Wasser mit einer entsprechenden Reduzierung des Inhibitorniveaus erhöht die Metallkorrosion in signifikanter Weise. Dies ist von besonderer Bedeutung bei Kühlsystemen für höhere Temperaturen, die infolge der zunehmenden Abgaskontrollen immer gebräuchlicher werden.

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Darüber hinaus hat die zunehmende Bedeutung des Kraftstoffverbrauchs dazu geführt, daß die neuen Kraftfahrzeuge eine geringere Größe und ein geringeres Gewicht aufweisen. Die Gewichtsreduktion wird dabei durch den Ersatz von Eisen und Stahlkomponenten in der Karosse und anderen Teilen des Fahrzeugs durch leichte Metalle oder Kunststoffe erreicht. Beispielsweise können in den Kühlsystemen von Kraftfahrzeugen anstelle der früher verwendeten Kupfer-Messing-Kühler Aluminiumkühler eingesetzt werden. Aluminiumkühler sind jedoch der korrodierenden Wirkung eines Kühlmittels oder Frostschutzmittels, das einen geringen Prozentsatz von Äthylenglykal und/oder Korrosionsinhibitor aufweist, mehr ausgesetzt als Kupfer-Messing-Kühler. Bei einem derartigen System muß zusätzlicher Korrosionsinhibitor zugesetzt werden, oder das Aluminium wird relativ rasch zerfressen. Die vorliegende Erfindung löst dieses Korrosionsproblem, indem es die systematische Zugabe eines Korrosionsinhibitors unter korrodierenden Bedingungen für das Kühlmittel sicherstellt.

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur automatischen Zugabe eines Korrosionsinhibitors zu einem Kühlsystem, wenn die Konzentration von Äthylenglykol und/oder die Konzentration des Korrosionsinhibitors unter einen vorgegebenen Wert fällt. Die Vorrichtung schließt die Verwendung einer osmotischen Membran als Oberfläche ein, die dem Motor-Kühlmittel innerhalb eines Behälters ausgesetzt ist, der die Membran lagert und in dem der Korrosionsinhibitor angeordnet ist. Als Osmose wird die Strömung eines Lösungsmittels in eine Lösung oder

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von einer verdünnten Lösung zu einer konzentrierten Lösung bezeichnet, wenn die beiden Flüssigkeiten voneinander durch eine Membran getrennt sind. Membranen, die einen freien Durchgang des Lösungsmittels, im vorliegenden Fall Wasser, ermöglichen, jedoch keinen solchen der gelösten Substanz, werden als semipermeable Membranen bezeichnet.

Die Geschwindigkeit der Bewegung von Molekülen des Lösungsmittels durch eine semipermeable Membran hängt von dem osmotischen Druckunterschied über die Membran ab. Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung umfaßt einen Behälter für den Korrosionsinhibitor in einer konzentrierten Lösung, wobei die semipermeable Membran die Inhibitorlösung von dem Kühlmittel trennt. Ein unterer Behälterabschnitt kann Verwendung finden, um zur Lagerung der Membran beizutragen, wobei jedoch der Eintritt des Kühlmittels ermöglicht werden muß. Das obere Ende des Behälters besitzt eine Überlauföffnung, so daß Korrosionsinhibitorlösung durch den osmotischen Druckunterschied herausgedrückt und dem Kühlsystem zugeführt werden kann.

Damit der Zusatz des Inhibitors zum korrodierenden Wasser sich als wirksam erweist, müssen die folgenden Kriterien erfüllt werden:

1. Der konzentrierte flüssige Korrosionsinhibitor im Behälter sollte einen osmotischen Druck aufweisen, der dem Druck der inhibierten 50%-igen Äthylenglykol- 50%-igen Wasser-Lösung entspricht.

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2. Die Membran muß semipermeabel sein, um eine Diffusion von Korrosionsinhibitorsalzen zu verhindern, wenn sich eine 50-50%-ige Äthylenglykol-Wasser-Lösung im Kühlsystem befindet.

3. Die Membran muß über die durchschnittliche Lebensdauer des Kraftfahrzeuges beständig sein.

4. Für den Fall, daß die Äthylenglykol-Lösung durch Wasser ersetzt wird, sollte der osmotische Druck eine ausreichende Menge des Korrosionsinhibitors in das Wasser drücken, um die Metalle des Kühlsystems zu schützen.

Weitere Ziele der Erfindung bestehen darin, eine Konstruktion von größter Einfachheit, Wirksamkeit, Wirtschaftlichkeit und einfacher Montage sowie einfacher Wirkungsweise zu schaffen. Derartige Ziele, Vorteile und Möglichkeiten werden nachstehend im einzelnen beschrieben.

Eine Methode zur Ausführung der Erfindung wird nachfolgend im Detail in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer Vorrichtung zur Zugabe von Korrosionsinhibitor zu einem Kühlsystem, wobei eine semipermeable asmotische Membran eingesetzt wird; und

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Fig. 2 eine Seitenansicht, teilweise im Schnitt, einer anderen Ausführungsform einer Vorrichtung.

In Fig. 1 ist ein Überlaufspeicher 10 im Kühlsystem eines Kraftfahrzeuges dargestellt, der am Boden eine Leitung 11 zur Zuführung und Abführung des flüssigen Kühlmittels 12 und eine Kappe 14 für eine Öffnung im geschlossenen oberen Ende 13 aufweist, die die Zugabe oder das Nachfüllen des Kühlmittels ermöglicht.

Im Speicher schwimmt eine Vorrichtung 15 zur Zugabe des Korrosionsinhibitors zum Kühlmittel 12. Die Vorrichtung schwimmt im Hinblick auf den Unterschied des Kühlmittelpegels, wenn das Kühlmittel heiß oder kalt ist. Sie enthält einen oberen Behälterabschnitt 16 und einen unteren Behälterabschnitt 17, die jeweils aus einem geeigneten Material ausgebildet sind, beispielsweise aus Glas, das gegenüber den Extremtemperaturen eines Kraftfahrzeugkühlsystems beständig ist. Der obere Behälter 16 weist eine zylindrische Seitenwand 1B, eine Fritteglasbasis 19 und ein geschlossenes oberes Ende 21 auf, in dem ein mit einer Kappe versehenes Überlaufrohr 22 angeordnet ist, das Öffnungen 23 aufweist, die das Austreten von Flüssigkeit aus dem Behälter ermöglichen. Das Überlaufrohr 22 ist aufgrund des schwimmenden Zustandes der Vorrichtung über dem Kühlmittelpegel angeordnet.

Der untere Behälter 17 umfaßt eine zylindrische Seitenwand 24, ein aus Fritteglas bestehendes oberes Ende 25 und ein geschlossenes unteres

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Ende 26 mit einem kurzen herabhängenden Rohr 27, das den Eintritt von Kühlmittel ermöglicht. Zwischen den Fritteglasenden 19 und 25 ist eine semipermeable osmotische Membran 28 angeordnet, die durch geeignete Einrichtungen, beispielsweise einen O-Ring oder eine Dichtungsscheibe 20, abgedichtet ist, um ein Durchlecken zu verhindern, und die durch eine Klemme 29 befestigt werden kann, welche Umfangslippen oder Flansche 30 der Behälterabschnitte 16 und 17 zusammenhält. Ein zweistückiger Schwimmkragen 31, der aus einem geeigneten Material, beispielsweise Polystyrol, hergestellt ist, umgibt die Klemme 29 und die benachbarten Lippen 30 der oberen und unteren Behälterabschnitte 16 und 17, so daß die Vorrichtung im Kühlmittel schwimmen kann, wobei sich das Überlaufrohr über dem Kühlmittelpegel befindet. Im oberen Behälter 16 wird eine konzentrierte Korrosionsinhibitorlösung 32 gespeichert.

Unter Normalbedingungen ist der Überlaufspeicher 10 zum Teil mit dem Motorkühlraittel gefüllt und steht über das herabhängende Rohr 11 mit dem Kühler des Motorkühlsystems [nicht gezeigt) in Verbindung. Wenn sich im System ein Leck bildet, wenn ein Schlauch bricht, oder wenn das Gemisch infolge Überhitzung teilweise verdampft, wird der Fahrzeugführer höchstwahrscheinlich das verlorengegangene Kühlmittel durch Wasser ersetzen, das ihm sofort zur Verfügung steht. Dieses Wasser ist augenscheinlich unbehandelt und wird wahrscheinlich auf das Metall des Kühlers korrodierend einwirken. Wenn das Wasser durch das System umgewälzt wird und den Speicher 10 erreicht, führt die niedrigere

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Glykol- und Inhibitorkonzentration im Kühlmittel,, das sich mit der Membran 28 in Berührung befindet, dazu, daß Wasser infolge des Unterschiedes der osmotischen Drücke durch die Membran in den oberen Behälter 16 eindringt. Zusätzliches Wasser im Behälter 16 bewirkt, daß die Korrosionsinhibitorlösung 32 durch die Öffnungen 23 im Rohr 22 herausströmt und sich mit dem Kühlmittel vermischt. Dieser Zustand setzt sich so lange fort, bis sich der osmotische Druck stabilisiert hat, wobei eine ausreichende Menge Korrosionsinhibitor dem Kühlmittel zugeführt ist, um eine Korrosion des Kühlers zu verhindern. Das System verbleibt dann im stabilisierten Zustand, es sei denn, die Inhibitorkonzentration fällt wieder durch Alterungserscheinungen oder Leckbildung ab.

In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform der Vorrichtung gezeigt, wobei gleiche Teile mit gleichen Bezugsziffern bezeichnet sind, die jedoch mit einem a versehen sind. Die Vorrichtung 15a schwimmt im · Kühlmittel 12a eines Überlaufspeichers und ist mit einem oberen Behälter 16a und einem unteren Behälter 17a versehen, zwischen denen eine semipermeable osmotische Membran 28a festgeklemmt ist. An der Verbindungsstelle zwischen den Behältern ist ein Schwimmkragen 31a montiert. Der obere Behälter 16a weist einen allgemein konischen oberen Wandabschnitt 33 auf, der am oberen Ende 34 endet und Öffnungen 35 aufweist, die über dem Kühlmittelpegel angeordnet sind. Eine allgemein zylindrische Wand 36 umgibt den Behälter 16a, endet kurz vor der Lippe 30a des Behälters 16a und ist mit einem oberen sich

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einwärts erstreckenden Flansch 37 versehen, der kurz vor dem Überlaufrohr 34 endet. Der Behälter 16a ist mit einer konzentrierten Korrosionsinhibitorlasung 32a gefüllt, während zusätzlicher fester Korrosionsinhibitor 3ü zwischen der Wand 36 und dem Behälter 16a angeordnet ist. Die Wand weist eine Vielzahl von kleinen, in Umfangsrichtung beabstandeten Entleerungsöffnungen 39 in der Nähe des Schnittpunktes der Wand 36 mit dem konischen Wandabschnitt 33 auf.

Diese Vorrichtung funktioniert im wesentlichen in der gleichen Weise wie die Vorrichtung der Figur 1, wobei jedoch zusätzlich die Korrosionsinhibitorlösung 32a, die aus dem Überlaufrohr 34 austritt, nach unten in den festen Inhibitor 38 strömt, um das Material zu lösen und die Lösung weiter zu konzentrieren. Die konzentrierte Lösung, die den festen Inhibitor 38 durchströmt, tritt durch die Entleerungsöffnungen 39 aus und vermischt sich mit dem Kühlmittel, bis ein zufriedenstellendes Inhibitorniveau im Kühlmittel erreicht ist.

Leerseite

Claims

Ripi; Ing. ^.Raüek

Üipi. Phys. W. Schmitz

Dipl. Ing. E. Graalfe

Dipl. Ing. W. Wehnert

Dipl. Phys. W. Carstens

Dr.-Ing. W. Döring

Mozartstraße 23 80OO München 2

BORG-WARNER CORPORATION

South Michigan Ave. München, 3. April 1980

Chicago , 111. 60604,USA Anwaltsakte: M-5192

Patentansprüche

Verfahren zur Zugabe eines Korrosionsinhibitors zu einem Kühlsystem, wenn das Kühlmittel korrodierend wird, wobei das Kühlsystem einen Überlaufspeicher aufweist, der teilweise mit Kühlmittel gefüllt ist, dadurch gekennzeichnet, daß ein Behälter (15) mit konzentrierter Korrosionsinhibitorlösung (32) in dem Speicher (13) so angeordnet wird, daß er im Kühlmittel schwimmt, wobei der Behälter ein Überlaufrohr (22) aufweist, das über dem Kühlmittelpegel angeordnet ist, daß ein semipermeables osmotisches Element (28) innerhalb des Behälters angeordnet und mit einer Fläche der Korrosionsinhibitorlösung (32) und mit der gegenüberliegenden Fläche dem Kühlmittel (12) ausgesetzt wird und daß der osmotische Druck der Korrosionsinhibitorlösung so eingestellt wird, daß er dem des inhibierten Kühlmittels entspricht, so daß bei einem Abfall des Inhibitorniveaus im Kühlmittel Wasser in den Behälter strömt und Korrosionsinhibitorlösung vom Behälter in das Kühlmittel herausströmt.

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2. Vorrichtung zur automatischen Zugabe eines Korrosionsinhibitors in ein Kühlsystem, das einen Überlaufspeicher aufweist, um einen der Korrosion ausgesetzten Wärmetauscher zu schützen, gekennzeichnet durch einen Behälter (15) für eine konzentrierte Korrosionsinhibitorlösung (32), der ein Überlaufrohr (22) am oberen Ende und eine Öffnung (11) in das untere Ende des Behälters aufweist, um einen Eintritt von Kühlmittel zu ermöglichen, eine semipermeable osmotische Membran (28), die in dem Behälter angeordnet ist und die Korrosionsinhibitorlösung von dem inhibierten Kühlmittel trennt, wobei der osmotische Druck der Korrasionsinhibitarlösung dem des inhibierten Kühlmittels entspricht, jedoch geringer ist als der osmotische Druck des vom Inhibitor entleerten Kühlmittels, damit Wasser durch die Membran in die Korrosionsinhibitorlösung dringen kann, um Lösung aus dem Überlaufrohr in den Inhibitorkörper im Speicher zu drücken, wenn ein Unterschied der osmotischen Drücke vorhanden ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (31) aufweist, die mindestens einen Abschnitt des Behälters umgeben, damit dieser im Kühlmittel schwimmen kann.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Behälter (15) einen oberen Abschnitt (1S) und einen unteren Abschnitt (17) aufweist und daß der Umfang der Membran (26) zwischen den Behälterabschnitten eingeklemmt ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (25) zur Lagerung der Membran in dem Behälter aufweist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (29) zum Zusammenklemmen der Behälterabschnitte und Einrichtungen (31), die die Klemmeinrichtungen umgeben, so daß der Behälter (15) im Kühlmittel schwimmen kann, aufweist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Behälterabschnitt (17) ein herabhängendes Rohr (11) aufweist, um ein Eintreten von Kühlmittel in den unteren Behälterabschnitt und einen Kontakt mit der Membran zu ermöglichen.
8. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der obere Behälterabschnitt (16a) eine allgemein konische Wand (33) aufweist, die mit dem oberen Ende im Überlaufrohr (34) endet, und eine allgemein zylindrische Wand (36), die die konische Wand umgibt und gegen diese bei ihrem größten Durchmesser stößt, wobei die zylindrische Wand ein oberes offenes Ende (37) aufweist, das zur Aufnahme von festem Korrosionsinhibitor (38) dient.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zylindrische Wand (36) eine Vielzahl von kleinen Entleerungsöffnungen (39) in der Nähe ihres unteren Randes aufweist, so daß der den oberen Behälterabschnitt (16) überströmende

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Korrosionsinhibitor durch den festen Korrosionsinhibitor (38) dringt, um eine stärker konzentrierte Lösung zu bilden, und schließlich durch die Entleerungsöffnungen (39) in das Kühlmittel eindringt.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie Einrichtungen (25a) zur Lagerung der Membran, Klemmeinrichtungen (29a) zum Zusammenhalten der Behälterabschnitte und einen Schwimmkragen (31a) aufweist, der den Behälter und die Klemmeinrichtungen umgibt, damit der Behälter im Kühlmittel schwimmen kann.