EP1690058A2 - Wärmetauscher - Google Patents

Wärmetauscher

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EP1690058A2
EP1690058A2 EP04803126A EP04803126A EP1690058A2 EP 1690058 A2 EP1690058 A2 EP 1690058A2 EP 04803126 A EP04803126 A EP 04803126A EP 04803126 A EP04803126 A EP 04803126A EP 1690058 A2 EP1690058 A2 EP 1690058A2
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
layer
nanoparticles
coating
aluminum
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EP04803126A
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EP1690058B1 (de
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Oliver Mamber
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Mahle Behr GmbH and Co KG
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Behr GmbH and Co KG
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/18—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by applying coatings, e.g. radiation-absorbing, radiation-reflecting; by surface treatment, e.g. polishing
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F13/00—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing
    • F28F13/04—Arrangements for modifying heat-transfer, e.g. increasing, decreasing by preventing the formation of continuous films of condensate on heat-exchange surfaces, e.g. by promoting droplet formation
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F19/00—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers
    • F28F19/02—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28F—DETAILS OF HEAT-EXCHANGE AND HEAT-TRANSFER APPARATUS, OF GENERAL APPLICATION
    • F28F2245/00—Coatings; Surface treatments
    • F28F2245/02—Coatings; Surface treatments hydrophilic

Definitions

  • the invention relates to a heat exchanger with surface-treated heat transfer surfaces. It also relates to a process for the surface treatment of heat exchangers.
  • Heat exchangers in particular evaporators, which are used in air conditioning systems - in particular in motor vehicles - usually consist of a plurality of disks or pipes which are arranged in a row and are connected to one another in a fluid-tight manner and between which corrugated fins are arranged in a tightly packed manner.
  • these enable optimal heat transfer between the cold flowing through the panes or pipes.
  • medium and the air flowing through the corrugated fin network are, however, predestined for the precipitation of condensate as well as dust or dirt.
  • This moist, dirty heat transfer surface provides an ideal breeding ground for microorganisms, the settlement of which can result in undesirable odors.
  • the damp soiling particularly favors damage caused by corrosion.
  • the surface of an object is usually given a hydrophobic finish. Because spherical water droplets form on the surface due to the hydrophobic design, these beads are basically dirt and water repellent. With a hydrophobically equipped surface of the heat exchanger described, however, the water drops cannot bead off because of the very densely packed corrugated fin structure. Instead, they get caught between the adjacent, narrow ribs and gills. This just prevents the desired self-cleaning effect due to the hydrophobic design. This also usually leads to a decrease in the overall performance of the heat exchanger.
  • the hydrophilicity of a substance is characterized, among other things, by its polarity, a low interfacial tension with water and good wettability with water, which results from the fact that the adhesive forces that act between the molecules of the same substance are large at an interface compared to the cohesive forces that between Molecules of the same substance work. If a surface is well wettable, a liquid drop forms a contact angle on it that is less than 90 °, ie the liquid can spread more or less on the surface. A hydrophilic finish on a surface therefore leads to the formation of a thin, closed liquid film. The closed liquid film allows the dust and dirt particles to flow away, thereby reducing the permanent accumulation of dust and dirt. In addition, since the corrugated fin surface dries faster due to the comparatively thin water film formation, the settlement of microorganisms on the heat exchanger surface is also reduced.
  • CN 13242732 discloses an aluminum heat exchanger which is provided with a layer which, inter alia, contains nanoparticles based on macromolecular surfactants and crosslinkable, unsaturated monomers and has corrosion-protective and hydrophilic properties.
  • a heat exchanger is known from EP 1 154 042 A1, in which, after acidic cleaning, the heat exchanger surface is provided with a chromium- or zirconium-containing conversion layer and a hydrophilic polymer-based layer which contains silicate particles with a diameter between 5 and 1000 nm ,
  • the invention is therefore based on the object of providing a heat exchanger of the type mentioned above, the heat transfer surfaces made of metal, in particular aluminum or aluminum compounds, are provided with a surface coating which is improved compared to the prior art. Furthermore, a particularly suitable method for such a surface coating of the heat exchanger mentioned is to be specified.
  • the object is achieved according to the invention in that a plurality of layers are applied to its heat transfer surfaces, nanoparticles being used for the coating.
  • the invention is based on the consideration that the design objectives pursued equally in favor of a long service life and improved performance for the heat exchanger cannot be achieved, or at least not satisfactorily, through a single layer.
  • design goals that actually diverge from one another namely, e.g. B. on the one hand for optimized corrosion protection and on the other hand for a hydrophilic surface finish.
  • a hydrophilic or water-attracting and therefore moist surface favors the damage or destruction of materials by chemical or electrochemical reactions.
  • it is generally desirable to prevent material and water from coming into contact with one another by means of a hydrophobic finish.
  • a hydrophilic finish of a surface is desired in order to promote the formation of a thin, closed liquid film which allows the dust and dirt particles to flow away.
  • each layer being upgraded for its own specific property.
  • defects in the layer expose the metal, so that this location of the metal, particularly in the case of a hydrophilic layer, that is to say a liquid-attracting layer, offers a suitable contact surface for corrosion damage. If there are several layers, the likelihood that defects in the layers lie directly one above the other and the metal will be exposed is lower. This has a correspondingly positive effect on reducing corrosion damage.
  • nanoparticles When using the material for the layers, customized structures for the desired functions of the coating systems, such as the adhesive forces that act between the molecules of different substances, play an important role.
  • the dimensions or dimensions of individual components and mixtures are largely responsible for the formation of functional coatings.
  • the smallest nanoparticles are clusters of a few hundred molecules and are subject to the laws of quantum mechanics, while the larger ones are governed by the rules of traditional solid state physics.
  • nanoparticles Compared to larger particles with the same chemical composition, nanoparticles have a much smaller number of construction defects. Because of their geometrical and material-specific peculiarities, they therefore offer a particularly large and varied spectrum of effects. For this reason, nanoparticles are used for coating. '
  • Nanoparticles can be produced, for example, by plasma processes, laser ablation, gas phase synthesis, sol-gel processes, spark erosion or crystallization, among others. Nanoscale particles are characterized by a particularly large surface / volume ratio. Because the adhesive force and the binding of the particles increase with increasing surface area, the layers produced are generally particularly scratch and abrasion resistant. As a result, the surface equipped in this way does not offer a contact surface for damage to the protective coating, as a result of which, for example, corrosion damage can be minimized. Corrosion protection is also improved by appropriately selected nanoscale additives. Because of their hydrophilicity and the comparatively large surface area, these particles are hygroscopic.
  • Each layer of the heat exchanger therefore preferably contains different nanoparticles.
  • At least one layer preferably has anti-corrosion properties and at least one further layer has hydrophilic and thus self-cleaning properties.
  • a corrosion-protective layer is preferably first arranged and advantageously a hydrophilic layer is arranged thereon.
  • the hydrophilic layer preferably forms the cover layer of the multiple coating.
  • the layer with hydrophilic properties advantageously has a wetting contact angle with water of less than or equal to 60 °, preferably less than or equal to 40 °.
  • the wetting contact angle is determined by the so-called sessile drop method, which is an optical one Contact angle measurement to determine the wetting behavior of solids.
  • the nanoparticles are preferably dissolved from organic and / or inorganic compounds of aluminum, silicon, boron and / or transition metals, preferably from the IV and V subgroups of the periodic table, and / or cerium in inorganic and / or organic solvents and / or dispersed form used for coating.
  • each layer thickness is advantageously less than 1.5 ⁇ m or equal to 1.5 ⁇ m, preferably less than 1 ⁇ m or equal to 1 ⁇ m, and the total layer thickness is less than 5 ⁇ m or equal to 5 ⁇ m.
  • the stated object is achieved by applying several layers to a number of heat transfer surfaces made of metal, in particular aluminum or aluminum compounds, with nanoparticles being used for the coating.
  • nanoparticles composed of organic and / or inorganic compounds of aluminum, silicon, boron and / or transition metals, preferably of the IV and V subgroups of the periodic stems, and / or cerium dissolved and / or dispersed in inorganic and / or organic solvents for coating.
  • the layers are advantageously applied by dipping, flooding or spraying, the individual layers, in particular for a particularly rapid layer build-up, directly one after the other, using what is known as wet-on-wet technology, with a single application. Drying can be applied.
  • the individual layers are preferably applied in separate treatment steps with respective intermediate drying.
  • the advantages achieved with the invention consist in particular in that a multiple coating of heat transfer surfaces, in which case nanoparticles are used for coating, provides a heat exchanger which ensures various, in some cases also diverging, requirements.
  • the desired functionality of the heat transfer surfaces is achieved through the selected use of nanoscale particles made of different materials.
  • the surface coating for example, the corrosion protection or the hardness and scratch resistance can be improved, and self-cleaning and antimicrobial surfaces can also be produced.
  • at least one corrosion-resistant layer and at least one further, in particular arranged, hydrophilic layer are provided.
  • a heat exchanger in particular an evaporator for air conditioning systems in motor vehicles, is provided with a double coating of its heat transfer surfaces made of aluminum substrate.
  • the nanoparticles for the respective layer are manufactured using a sol-gel process.
  • a multiple coating can also be applied to the heat transfer surfaces, and of course the nanoparticles, which are different in material for each layer, can also be laser ablated by processes other than the sol-gel process, such as, for example, the plasma process - on, gas phase synthesis, spark erosion or crystallization u. a., have it made.
  • a first corrosion-resistant and non-hydrophilic layer or the correspondingly configured base layer is applied by immersion treatment in an organically modified inorganic sol-gel layer with water-based solvent. It is cured by subsequent drying at a temperature in the range of 100-150 ° C for 10 minutes. The layer thickness generated is less than 1 ⁇ m.
  • a further organically modified inorganic sol-gel layer with water-based solvent is applied as a second layer or the top layer by immersion treatment. It differs in chemical composition from the layer below. The second layer or the top layer is cured again at 100-150 ° C for 10 minutes. Their surface has a hydrophilic character and has a wetting contact angle with water of less than 40 °.
  • the total layer thickness of the layer structure consisting of the base and top layers is a maximum of 2 ⁇ m.

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Description

Wärmetauscher
Die Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher mit oberflächenbehandelten Wärmeübertragungsoberflächen. Des Weiteren betrifft sie ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Wärmetauschern.
Um den Anforderungen der Industrie an Bauteile, beispielsweise denen der Automobilbranche an Wärmetauscher oder -Überträger, gerecht zu werden, ist eine Behandlung der Werkstoffoberflächen vielfach unumgänglich. Mit einer Oberflächenbehandlung sollen den betreffenden Bauteilen spezifische Eigenschaften verliehen werden, die sie zugunsten einer verbesserten Leistungsfähigkeit und verlängerten Lebensdauer insbesondere vor Umwelteinflüssen schützen. Dabei sind insbesondere das spezifische Einsatzgebiet und bauliche Gegebenheiten zu berücksichtigen.
Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer, die in Klimaanlagen - insbesondere in Kraftfahrzeugen - zum Einsatz kommen, bestehen üblicherweise aus mehreren aufeinander gereihten und fluiddichten miteinander verbundenen Scheiben oder Rohren, zwischen denen dicht gepackt Wellrippen angeordnet sind. Diese ermöglichen zwar einerseits eine optimale Wärmeüber- tragung zwischen dem durch die Scheiben oder Rohre strömenden Käl- temittel und der durch das Wellrippennetz strömenden Luft, sind aber andererseits prädestiniert für den Niederschlag von Kondensat sowie Staub oder Schmutz. Diese feuchte verschmutze Wärmeübertragungsoberfläche bietet einen idealen Nährboden für Mikroorganismen, deren Ansiedlung eine un- erwünschte Geruchsbildung zur Folge haben kann. Außerdem sind durch die feuchten Verschmutzungen insbesondere Schäden durch Korrosion begünstigt.
Um die Ansammlung von Wasser und Schmutz auf einer Oberfläche zu ver- meiden, wird die Oberfläche eines Gegenstands in der Regel hydrophob ausgerüstet. Dadurch, dass sich durch die hydrophobe Ausgestaltung auf der Oberfläche kugelförmige Wassertropfen bilden, die abperlen, sind diese Oberflächen grundsätzlich schmutz- und wasserabweisend. Bei einer hydrophob ausgestatteten Oberfläche des beschriebenen Wärmeübertragers können die Wassertropfen wegen der sehr dicht gepackten Wellrippenstruktur jedoch nicht abperlen. Statt dessen bleiben sie zwischen den benachbarten, engstehenden Rippen und Kiemen hängen. Damit ist der gewünschte selbstreinigende Effekt durch die hydrophobe Ausgestaltung gerade verhindert. Dies führt zudem üblicherweise zur Abnahme der Gesamt- leistung des Wärmetauschers.
Um dieses Problem unter Beibehaltung der Bauart des Wärmetauschers zu lösen, ist eine hydrophile Ausstattung der Wärmeübertragungsoberflächen erwünscht.
Die Hydrophilie eines Stoffes ist unter anderem gekennzeichnet durch seine Polarität, eine niedrige Grenzflächenspannung gegenüber Wasser und eine gute Benetzbarkeit mit Wasser, die daraus resultiert, dass die Adhäsionskräfte, die zwischen den Molekülen desselben Stoffs wirken, an einer Grenzfläche groß gegenüber den Kohäsionskräften sind, die zwischen den Molekülen desselben Stoffs wirken. Ist eine Oberfläche gut benetzbar, bildet ein Flüssigkeitstropfen darauf einen Kontaktwinkel aus, der kleiner als 90° ist, d.h. die Flüssigkeit kann sich auf der Oberfläche mehr oder weniger ausbreiten. Eine hydrophile Ausstattung einer Oberfläche führt also zur Bildung eines dünnen, geschlossenen Flüssigkeitsfilms. Durch den geschlossenen Flüssigkeitsfilm wird ein Abfließen der Staub- und Schmutzpartikel ermöglicht und somit eine dauerhafte Ansammlung von Staub und Schmutz reduziert. Da zudem die Wellrippenoberfläche durch die vergleichsweise dünne Wasserfilmbildung schneller abtrocknet, wird auch die Ansiedlung von Mi- kroorganismen auf der Wärmeübertrageroberfläche vermindert.
So ist beispielsweise in der CN 13242732 ein Aluminium-Wärmetauscher offenbart, der mit einer Schicht versehen ist, die unter anderem Nanopartikel auf der Basis von makromolekularen Tensiden und vernetzbaren, ungesät- tigten Monomeren enthält und korrosionsschützende und hydrophile Eigenschaften aufweist.
Des Weiteren ist aus der EP 1 154 042 A1 ein Wärmetauscher bekannt, bei dem die Wärmetauscheroberfläche nach einer saueren Reinigung mit einer chrom- oder zirkonhaltigen Konversionsschicht und einer hydrophilen Schicht auf Polymerbasis, die Silicatpartikel mit einem Durchmesser zwischen 5 und 1000 nm enthält, versehen ist.
Durch diese Art der Beschichtung sind in der Regel Kompromisse notwen- dig, so dass sich beispielsweise eine optimale Korrosionsbeständigkeit und eine gleichzeitig dauerhaft hydrophile Oberfläche zur Selbstreinigung nicht in gleicher Qualität erreichen lassen.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Wärmetauscher der oben genannten Art zur Verfügung zu stellen, dessen Wärmeübertragungs- oberflächen aus Metall, insbesondere Aluminium oder Aluminiumverbindun- gen, mit einer Oberflächenbeschichtung versehen sind, die gegenüber dem Stand der Technik verbessert ist. Weiterhin soll ein besonders geeignetes Verfahren für eine derartige Oberflächenbeschichtung des genannten Wär- metauschers angegeben werden.
Bezüglich des Wärmetauschers wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem auf seinen Wärmeübertragungsoberflächen mehrere Schichten aufgebracht sind, wobei zur Beschichtung Nanopartikel eingesetzt sind.
Die Erfindung geht dabei von der Überlegung aus, dass die zugunsten einer langen Lebensdauer und einer verbesserten Leistungsfähigkeit für den Wärmetauscher gleichwertig verfolgten Auslegungsziele durch eine einzige Schicht nicht oder zumindest nicht befriedigend erreichbar sind. Dies gilt insbesondere für untereinander eigentlich divergierende Auslegungsziele, nämlich z. B. einerseits für einen optimierten Korrosionsschutz und andererseits für eine hydrophile Oberflächenausstattung. So begünstigt grundsätzlich gerade eine hydrophile oder wasseranziehende und somit feuchte Oberfläche die Schädigung oder Zerstörung von Werkstoffen durch chemi- sehe oder elektrochemische Reaktionen. Zur Vermeidung von Korrosion ist damit grundsätzlich eine Unterbindung eines Kontakts von Werkstoff und Wasser durch eine hydrophobe Ausstattung erwünscht. Während für eine wirksame Selbstreinigung der Wärmeübertragungsoberflächen, wie oben beschrieben, eine hydrophile Ausstattung einer Oberfläche erwünscht ist, um die Bildung eines dünnen, geschlossenen Flüssigkeitsfilms zu fördern, der ein Abfließen der Staub- und Schmutzpartikel ermöglicht.
Um mehreren, oftmals sogar konträren, Auslegungszielen gerecht zu werden, ist daher eine Mehrfachbeschichtung vorgesehen, wobei jede Schicht für eine eigene spezifische Eigenschaft ertüchtigt ist. Bei einer Schicht kön- nen nämlich Fehler in der Schicht das Metall freilegen, so dass diese Stelle des Metalls, besonders bei einer hydrophilen Schicht, also einer flüssigkeitsanziehenden Schicht, eine geeignete Angriffsfläche für Korrosionsschäden bietet. Bei mehreren Schichten ist die Wahrscheinlichkeit, dass Fehler in den Schichten direkt übereinander liegen und das Metall freilegen geringer. Dies wirkt sich entsprechend positiv auf eine Reduzierung von Korrosionsschäden aus.
Beim Materialeinsatz für die Schichten spielen maßgeschneiderte Strukturen für die gewünschten Funktionen der Beschichtungssysteme, wie beispielsweise die Adhäsionskräfte, die zwischen den Molekülen verschiedener Stoffe wirken, eine bedeutende Rolle. Für die Ausbildung funktioneller Beschichtungen sind die Dimensionierungen oder Größenordnungen einzelner Komponenten und Gemische maßgeblich mitverantwortlich. Besonders klei- ne Partikel, insbesondere solche mit einer Größe von wenigen millionstel Millimetern, werden Nanopartikel genannt. Die kleinsten Nanopartikel sind Cluster von einigen hundert Molekülen und unterliegen den Gesetzen der Quantenmechanik, während für die größeren ihrer Art die Regeln der traditionellen Festkörperphysik gelten. Nanopartikel weisen im Vergleich zu grö- ßeren Teilchen derselben chemischen Zusammensetzung eine viel geringere Zahl von Baufehlern auf. Sie bieten daher aufgrund ihrer geometrischen und materialspezifischen Eigenheiten ein besonders großes und vielseitiges Wirkungsspektrum. Aus diesem Grund sind zur Beschichtung Nanopartikel eingesetzt. '
Nanopartikel lassen sich beispielsweise durch Plasmaverfahren, Laserabla- tion, Gasphasensynthese, Sol-Gel-Verfahren, Funkenerosion oder Kristallisation u. a. herstellen. Nanoskalige Partikel zeichnen sich durch ein besonders großes Oberflächen/Volumen-Verhältnis aus. Weil die Haftkraft und die Bindung der Partikel mit zunehmender Oberfläche steigt, sind damit hergestellte Schichten in der Regel besonders kratz- und abriebfest. Dadurch bietet die derart ausge- stattete Oberfläche keine Angriffsfläche für Beschädigungen der Schutzbe- schichtung, wodurch beispielsweise Korrosionsschäden minimiert werden können. Durch stofflich entsprechend ausgewählte nanoskalige Zusätze wird der Korrosionsschutz zudem verbessert. Aufgrund ihrer Hydrophilie und der vergleichsweise großen Oberfläche sind diese Partikel hygroskopisch. Damit ist ihre Oberfläche feucht und sorgt für einen dünnen Flüssigkeitsfilm, der sowohl ein Abfließen der Staub- und Schmutzpartikel ermöglicht als auch durch das schnelle Abtrocknen des dünnen Flüssigkeitsfilms die Ansiedlung von Mikroorganismen vermindert. Jede Schicht des Wärmetauschers enthält daher vorzugsweise stofflich unterschiedliche Nanopartikel.
Um eine verbesserte Leistungsfähigkeit und eine verlängerte Lebensdauer des Wärmetauschers sicherzustellen, weist vorzugsweise zumindest eine Schicht korrosionsschützende Eigenschaften und zumindest eine weitere Schicht hydrophile und somit selbstreinigende Eigenschaften auf.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist insbesondere aus Korrosionsschutzgründen vorzugsweise zuerst eine korrosionsschützende Schicht und vorteilhafterweise darauf eine hydrophile Schicht angeordnet. Damit ein besonders wirksamer Selbstreinigungseffekt erzielt wird, bildet die hydrophile Schicht vorzugsweise die Deckschicht der Mehrfachbeschichtung. Vorteilhafterweise weist die Schicht mit hydrophilen Eigenschaften einen Benet- zungskontaktwinkel mit Wasser von kleiner oder gleich 60° auf, vorzugsweise von kleiner oder gleich 40°. Der Benetzungskontaktwinkel wird dabei durch die so genannte Sessile Drop-Methode bestimmt, die eine optische Kontaktwinkelmessung zur Bestimmung des Benetzungsverhaltens von Festkörpern darstellt.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Wärmeübergangsoberflächen sind zweckmäßigerweise chromfreie, nicht toxische Zusätze zur Oberflächenbeschichtung verwendet. Dazu sind die Nanopartikel vorzugsweise aus organischen und/oder anorganischen Verbindungen von Aluminium, Silici- um, Bor und/oder Übergangsmetallen, vorzugsweise der IV. und V. Nebengruppe des Periodensystems, und/oder Cer in anorganischen und/oder or- ganischen Lösungsmitteln gelöster und/oder dispergierter Form zur Beschichtung eingesetzt.
Für einen Einsatz des Wärmetauschers in Klimaanlagen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, ist aus Effizienzgründen zweckmäßigerweise eine beson- ders dünne Beschichtung vorgesehen, die zu keiner wesentlichen Volumen- und Gewichtszunahme führt. Daher beträgt jede Schichtdicke vorteilhafterweise weniger als 1 ,5 μm oder gleich 1 ,5 μm, vorzugsweise weniger als 1 μm oder gleich 1 μm, und die Gesamtschichtdicke weniger als 5 μm oder gleich 5 μm.
Bezüglich des Verfahrens zur Oberflächenbehandlung von Wärmetauschern wird die genannte Aufgabe gelöst, indem auf einer Anzahl von Wärmeübertragungsoberflächen aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder Aluminiumverbindungen, mehrere Schichten aufgebracht werden, wobei zur Be- Schichtung Nanopartikel eingesetzt werden.
Dabei werden vorteilhafterweise Nanopartikel aus organischen und/oder anorganischen Verbindungen von Aluminium, Silicium, Bor und/oder Übergangsmetallen, vorzugsweise der IV. und V. Nebengruppe des Periodensy- stems, und/oder Cer in anorganischen und/oder organischen Lösungsmitteln gelöster und/oder dispergierter Form zur Beschichtung eingesetzt.
Das Aufbringen der Schichten erfolgt vorteilhafterweise durch Tauchen, Fluten oder Sprühen, wobei die einzelnen Schichten, insbesondere für einen besonders schnellen Schichtaufbau, direkt nacheinander, in so genannter Nass-in-Nass-Technik, mit einmaliger. Trocknung aufgebracht werden.
In alternativer Ausgestaltung des Verfahrens werden die einzelnen Schich- ten vorzugsweise in getrennten Behandlungsschritten mit jeweiliger Zwischentrocknung aufgebracht.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass durch eine Mehrfachbeschichtung von Wärmeübertragungsoberflächen, wo- bei zur Beschichtung Nanopartikel eingesetzt sind, ein Wärmetauscher zur Verfügung gestellt wird, der verschiedene, zum Teil auch divergierende Anforderungen gewährleistet. Durch den ausgewählten Einsatz von nanoskali- gen Partikeln aus unterschiedlichen Materialien wird die gewünschte Funktionalität der Wärmeübertragungsoberflächen erreicht. Auf diese Art und Weise der Oberflächenbeschichtung kann beispielsweise der Korrosionsschutz oder die Härte und Kratzfestigkeit verbessert werden, ferner können selbstreinigende und antimikrobielle Oberflächen hergestellt werden. Für sowohl einen verbesserten Korrosionsschutz als auch gleichzeitig einen verbesserten Selbstreinigungseffekt durch Hydrophilisierung der Wärme- Übertragungsoberflächen ist zumindest eine korrosionsbeständige Schicht und zumindest eine weitere, insbesondere darauf angeordnete, hydrophile Schicht vorgesehen. Infolge der vorgenannten verbesserten Eigenschaften wird eine erhöhte Gebrauchs- und/oder Leistungsfähigkeit des Wärmetauschers erreicht. Als ein Ausführungsbeispiel ist ein Wärmetauscher, insbesondere ein Verdampfer für Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen, mit einer Zweifachbeschich- tung seiner Wärmeübertragungsoberflächen aus Aluminiumsubstrat vorgesehen. Die Nanopartikel für die jeweilige Schicht werden dabei nach einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt.
Selbstverständlich lässt sich je nach erwünschtem Anforderungsprofil auf die Wärmeübertragungsoberflächen auch eine Mehrfachbeschichtung applizie- ren, und selbstverständlich können sich die für jede Schicht stofflich unter- schiedlichen Nanopartikel auch durch andere Prozesse als das Sol-Gel- Verfahren, wie beispielsweise durch das Plasmaverfahren, die Laserablati- on, Gasphasensynthese, Funkenerosion oder die Kristallisation u. a., herstellen lassen.
Im Ausführungsbeispiel erfolgt das Aufbringen einer ersten korrosionsbeständigen und nicht hydrophilen Schicht oder der entsprechend ausgestalteten Grundschicht durch Tauchbehandlung in einer organisch modifizierten anorganischen Sol-Gel-Schicht mit wasserbasiertem Lösungsmittel. Durch anschließendes Trocknen bei einer Temperatur im Bereich 100 - 150°C für 10 Minuten wird sie ausgehärtet. Die erzeugte Schichtdicke beträgt weniger als 1 μm. Als zweite Schicht oder die Deckschicht wird eine weitere organisch modifizierte anorganische Sol-Gel-Schicht mit wasserbasiertem Lösungsmittel durch Tauchbehandlung aufgebracht. Sie unterscheidet sich in der chemischen Zusammensetzung von der darunter liegenden Schicht. Die zweite Schicht oder die Deckschicht wird erneut bei 100 - 150°C für 10 Minuten ausgehärtet. Ihre Oberfläche hat einen hydrophilen Charakter und weist einen Benetzungskontaktwinkel mit Wasser von kleiner als 40° auf. Diese Hydrophilie ist auch bei dauerhafter Einwirkung von Kondenswasser beständig, so dass der Kontaktwinkel auch nach einer Kondensatwasserbe- lastung von über 1000 Stunden nach dem Kondenswasserkonstantklimatest gemäß DIN 50017-KK noch immer unter 40° beträgt. Die Gesamtschichtdik- ke des Schichtaufbaus aus Grund- und Deckschicht beträgt maximal 2 μm.
Damit ist durch die erste Schicht oder die Grundschicht ein optimaler Korro- sionsschutz gewährleistet, und durch die Erzeugung der funktionellen hydrophilen Deckschicht wird der Wasserablauf auf der Wärmeübertragungsoberfläche verbessert. Dadurch wird das Abfließen von Staub und Schmutz von der Oberfläche begünstigt, und durch die vergleichsweise dünne Wasserfilmbildung ist eine schnellere Abtrocknung der Oberfläche gewährleistet. Diese Selbstreinigungs- und schnellen Abtrocknungseigenschaften minimieren den Bewuchs von Mikroorganismen. Durch alle diese Faktoren wird die Gebrauchs- und/oder Leistungsfähigkeit von Wärmetauschern mit derart beschichteten Wärmeübertragungsoberflächen verbessert.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
Wärmetauscher, insbesondere Verdampfer für Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen, mit einer Anzahl von Wärmeübertragungsoberflächen aus Metall, insbesondere Aluminium oder Aluminiumverbindungen, auf die mehrere Schichten aufgebracht sind, wobei zur Beschichtung Nanopartikel eingesetzt sind.
Wärmetauscher nach Anspruch 1 , bei dem jede Schicht stofflich unterschiedliche Nanopartikel enthält.
3. Wärmetauscher nach Anspruch 1 oder 2, bei dem zumindest eine Schicht korrosionsschützende Eigenschaften und zumindest eine weitere, vorzugsweise darauf angeordnete, Schicht hydrophile Eigenschaften aufweist.
4. Wärmetauscher nach Anspruch 3, bei dem die Schicht mit hydrophilen Eigenschaften einen Benetzungskontaktwinkel mit Wasser von kleiner oder gleich 60°, vorzugsweise von kleiner oder gleich 40°, aufweist.
5. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem die Nanopartikel aus organischen und/oder anorganischen Verbindungen von Aluminium, Silicium, Bor und/oder Übergangsmetallen, vorzugsweise der IV. und V. Nebengruppe des Periodensystems, und/oder Cer in anorganischen und/oder organischen Lösungsmitteln gelöster und/oder dispergierter Form zur Beschichtung eingesetzt sind.
6. Wärmetauscher nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem jede Schichtdicke weniger als 1 ,5 μm oder gleich 1 ,5 μm beträgt, vorzugsweise weniger als 1 μm oder gleich 1 μm, und bei dem die Gesamtschichtdicke weniger als 5 μm oder gleich 5 μm beträgt.
7. Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Wärmetauschern, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 6, bei dem auf einer Anzahl von Wärmeübertragungsoberflächen aus Metall, insbesondere Aluminium oder Aluminiumverbindungen, mehrere Schichten aufgebracht werden, wobei zur Beschichtung Nanopartikel eingesetzt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, bei dem die Nanopartikel aus organischen und/oder anorganischen Verbindungen von Aluminium, Silicium, Bor und/oder Übergangsmetallen, vorzugsweise der IV. und V. Nebengrup- pe des Periodensystems, und/oder Cer in anorganischen und/oder organischen Lösungsmitteln gelöster und/oder dispergierter Form zur Beschichtung eingesetzt werden.
9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Aufbringen der Schichten durch Tauchen, Fluten oder Sprühen erfolgt, wobei die einzelnen Schichten direkt nacheinander ohne jeweilige Zwischentrocknung aufgebracht werden.
10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, bei dem das Aufbringen der Schichten durch Tauchen, Fluten oder Sprühen erfolgt, wobei die einzelnen Schichten in getrennten Behandlungsschritten mit jeweiliger Zwischentrocknung aufgebracht werden.
EP04803126A 2003-11-26 2004-11-11 Wärmetauscher Not-in-force EP1690058B1 (de)

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DE10355833A DE10355833A1 (de) 2003-11-26 2003-11-26 Wärmetauscher
PCT/EP2004/012783 WO2005052489A2 (de) 2003-11-26 2004-11-11 Wärmetauscher

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Publication Number Publication Date
EP1690058A2 true EP1690058A2 (de) 2006-08-16
EP1690058B1 EP1690058B1 (de) 2012-04-04

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EP04803126A Not-in-force EP1690058B1 (de) 2003-11-26 2004-11-11 Wärmetauscher

Country Status (6)

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US (1) US20070114011A1 (de)
EP (1) EP1690058B1 (de)
JP (1) JP2007512493A (de)
AT (1) ATE552471T1 (de)
DE (1) DE10355833A1 (de)
WO (1) WO2005052489A2 (de)

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