EP1925808A2 - Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher - Google Patents
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Definitions
- the invention relates to a heat exchanger, in particular exhaust gas heat exchanger, with at least one of a medium, in particular of exhaust gas, acted upon surface of metal, in particular of aluminum or stainless steel, which is provided with a coating.
- the invention also relates to a method for producing a heat exchanger described above.
- Exhaust gas mainly from diesel engines, leads in exhaust gas heat exchangers together with moisture and temperature to corrosion attacks on the metallic materials used.
- temperature-resistant coatings can be used.
- the object of the invention is to provide a heat exchanger with a comparison with the prior art improved protective layer.
- the object is in a heat exchanger, in particular exhaust gas heat exchanger, with at least one of a medium, in particular of exhaust gas, acted upon surface of metal, in particular of aluminum or stainless steel, which is provided with a coating, achieved in that the coating by a high temperature, in particular a first-time high operating temperature, in a corrosion-resistant, partially ceramic and / or difficult to be wetted, in particular oleophobic, protective layer feasible and / or implemented.
- the coating can thus be advantageously applied as an inner coating on the exhaust side before the first use of the heat exchanger.
- this coating can be implemented by a high temperature in the necessary protective layer. This can happen, for example, before the first startup in an oven. However, it is also possible to first deliver the heat exchanger with the unreacted coating and assemble.
- this coating automatically converts into the desirable and necessary exhaust gas-side protective layer during the first start-up due to the high operating temperature that occurs.
- a preferred embodiment of the heat exchanger is characterized in that the coating and / or the protective layer has catalytically active additives.
- this can reduce the proportion of unburned hydrocarbons and / or soot.
- the additives can be incorporated directly into the protective layer.
- Another preferred embodiment of the heat exchanger is characterized in that the additives are microencapsulated.
- the additives are microencapsulated.
- a further preferred embodiment of the heat exchanger is characterized in that the coating and / or the protective layer comprises nanoparticles.
- the nanoparticles can increase the adhesion of the protective layer and its resistance to abrasion.
- a heat exchanger provided with the coating can be provided with the protective layer by a simple temperature treatment, particularly advantageously only by the first startup of the heat exchanger.
- a preferred embodiment of the method is characterized by the following step: reacting the coating in an oven. Through the implementation in an oven, a uniformly high temperature, ie a uniform conversion of the coating can be achieved.
- Another preferred embodiment of the method is characterized by the following step: Implementation when first reaching the high operating temperature.
- the exhaust gas heat exchanger can be provided with the necessary protective layer already after the first startup.
- a further exemplary embodiment of the method is characterized by the following step: Reaction of the coating in a corrosion-resistant, partially ceramic and / or difficultly wettable, in particular oleophobic, protective layer.
- the invention relates to an exhaust gas heat exchanger made of aluminum or stainless steel.
- the exhaust gas heat exchanger has a cavity and / or a channel, which is traversed by exhaust gas during operation of the exhaust gas heat exchanger.
- the cavity has a coating with a coating material.
- the coating material may contain catalytically active additives which reduce the proportion of hydrocarbons and soot in the exhaust gas. This will increase the performance of a motor coupled to the exhaust gas heat exchanger positively affects and reduces the performance degradation of the exhaust gas heat exchanger during operation of the engine.
- These additives may be incorporated directly in the coating or may be incorporated in the micro-encapsulated form in the form of microcapsules.
- the microcapsules may have a depot effect and release the additives or the catalyst over a longer period.
- the coating material is based on nanotechnology, ie contains nanoparticles. As a result, for example, the adhesion of the coating and its resistance to abrasion can be increased.
- the coating materials may comprise, for example, polymerisable (or polycondensable) organometallic compounds such as Ti, Zr, Si based organometallic compounds (silanes, siloxanes, silazanes, silicates) such as tretra-n-propoxysilane, zirconium n-propoxide, titanium n-propoxide; Trialkoxysilane, the vinyl, methacrylic or epoxy units and / or their halogenated with fluorine, chlorine, bromine and / or iodine derivatives.
- organometallic compounds such as Ti, Zr, Si based organometallic compounds (silanes, siloxanes, silazanes, silicates) such as tretra-n-propoxysilane, zirconium n-propoxide, titanium n-propoxide; Trialkoxysilane, the vinyl, methacrylic or epoxy units and / or their halogenated with fluorine, chlorine, bromine and /
- coating material polymer systems which crosslink at high temperatures and pass by splitting off of low molecular weight compounds in high temperature resistant forms (for example, organic silicone compounds (for example, silicone resins), polyamide-imide paints or the like).
- high temperature resistant forms for example, organic silicone compounds (for example, silicone resins), polyamide-imide paints or the like).
- Such systems can be radiation, temperature or chemical curing.
- additives elements and their compounds from VIII.
- Subgroup ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum
- the additives may comprise mixed metal oxides of V.VIII subgroup metals, for example, vanadium and / or manganese.
- the coating material may also comprise particles and / or consist of particles.
- the particles may, for example, oxides, oxide hydrates, nitrides and / or carbides of main group elements, such as aluminum, silicon, indium, boron, and / or transition metals, preferably the IV and V. subgroup and / or cerium and / or zinc and / or metallic particles of, for example, silicon, aluminum, zirconium, titanium. It is also possible to provide coated and / or grafted particles with the aforementioned substances or compounds.
- the particles may be metallic particles of the elements and their compounds from subgroup VIII (ruthenium, rhodium, palladium, osmium, iridium, platinum).
- the particles can have a size between 1 and 50,000 nanometers.
- the particles Preferably, the particles have a size between 1 and 1,000 nanometers, preferably between 1,000 and 10,000 nanometers, preferably between 10,000 and 50,000 nanometers.
- microcapsules may contain the substances and / or compounds listed for the additives and particles.
- the listed coating materials of the coating or the protective layer can be incorporated as a solution in an organic and / or inorganic solvent or as a dispersion in which a chemical compound, in particular salt as a solid, and / or applied as an aerosol, depending on the solubility and the state of aggregation ,
- the application of the coating material can be carried out by methods available according to the prior art.
- the coating material can be made by immersion, forced flooding, filling, steaming and / or aerosol exposure. It is possible to use excess coating material by flowing out of the heat exchanger to remove. In addition, it is possible to accelerate the emptying process, for example, by spinning and / or blowing.
- the protective layer thus applied is dried after application.
- the drying takes place at temperatures between 60 ° C and 150 ° C, preferably between 80 ° C and 110 ° C.
- the merely dried layer does not yet have the advantageous properties.
- the formation of the advantageous layer properties takes place at high temperatures, that is, regardless of the drying process, for example at a later date, take place.
- the treatment can be carried out by the high temperatures during operation of the heat exchanger, for example during operation of an associated vehicle.
- it is also possible to carry out a separate heat treatment at high temperatures for example in an oven and / or by acting on the heat exchanger with a hot medium, for example with hot air.
- a compression of the coating, or a reaction of the coating in the protective layer ie, a reaction of the previously applied and dried coating material can be achieved.
- the layer forming at high temperatures has the anti-corrosive properties.
- the formed protective layer may be partially ceramic and / or difficult to wet, in particular oleophobic.
- the required temperatures for forming the layer properties are in a range higher than 250 ° C.
- the protective layers in a temperature range between 250 ° C and 350 ° C, preferably 300 ° C to 1000 ° C, preferably 250 ° C to 500 ° C. , preferably 300 ° C to 700 ° C, preferably 350 ° C to 450 ° C, preferably 400 ° C to 550 ° C, preferably 500 ° C to 700 ° C, are.
- the heat exchanger may include metals such as aluminum and aluminum alloys. Also suitable are steels, in particular Chromium nickel steels, nickel-based alloys, copper, bronze, brass as well as titanium and titanium alloys.
- the coating or the layer composition can be adapted to the respective operating temperature of the heat exchanger, in particular the exhaust gas heat exchanger or intercooler.
- the layer composition can be matched to the material of the heat exchanger.
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher, mit mindestens einer von einem Medium, insbesondere von Abgas, beaufschlagten Fläche aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder Edelstahl, die mit einer Beschichtung versehen ist. Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Herstellung eines vorab beschriebenen Wärmetauschers.
- Abgas, vorwiegend aus Dieselmotoren, führt in Abgaswärmetauschern zusammen mit Feuchtigkeit und Temperatur zu Korrosionsangriffen auf die verwendeten metallischen Werkstoffe. Zum Schutz vor Korrosion können temperaturbeständige Beschichtungen verwendet werden.
- Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Schutzschicht bereit zu stellen.
- Die Aufgabe ist bei einem Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher, mit mindestens einer von einem Medium, insbesondere von Abgas, beaufschlagten Fläche aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder Edelstahl, die mit einer Beschichtung versehen ist, dadurch gelöst, dass die Beschichtung durch eine hohe Temperatur, insbesondere eine erstmalige hohe Betriebstemperatur, in eine korrosionsbeständige, teilkeramische und/oder schwer benetzbare, insbesondere oleophobe, Schutzschicht umsetzbar und/oder umgesetzt ist. Die Beschichtung kann also vorteilhaft vor der ersten Inbetriebnahme des Wärmetauschers als Innenbeschichtung auf der Abgasseite aufgebracht werden. Vorteilhaft kann diese Beschichtung durch eine hohe Temperatur in die notwendige Schutzschicht umgesetzt werden. Dies kann beispielsweise vor der ersten Inbetriebnahme in einem Ofen geschehen. Es ist jedoch auch möglich, den Wärmetauscher zunächst mit der noch nicht umgesetzten Beschichtung auszuliefern und zu montieren. Vorteilhaft wandelt sich diese Beschichtung bei der ersten Inbetriebnahme durch die dabei auftretende hohe Betriebstemperatur automatisch in die wünschenswerte und notwendige abgasseitige Schutzschicht um.
- Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung und/oder die Schutzschicht katalytisch wirkende Additive aufweist. Vorteilhaft kann hierdurch der Anteil an nicht verbrannten Kohlenwasserstoffen und/oder an Ruß reduziert werden. Dadurch kann die Leistung eines an den Abgaswärmetauscher gekoppelten Motors optimiert werden, also ein optimaler Wärmeübergang des Abgaswärmetauschers gewährleistet werden. Die Additive können dazu direkt in die Schutzschicht eingebaut sein.
- Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Additive mikroverkapselt sind. Durch die Mikroverkapselung kann eine Depotwirkung erzielt werden, so dass der Katalysator über längere Zeit kontinuierlich abgegeben wird.
- Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung und/oder die Schutzschicht Nanopartikel aufweist. Durch die Nanopartikel kann die Haftung der Schutzschicht sowie deren Beständigkeit gegen Abrieb erhöht werden.
- Bei einem Verfahren zur Herstellung eines vorab beschriebenen Wärmetauschers, insbesondere eines Abgaswärmetauschers, ist die oben angegebene Aufgabe durch folgenden Schritt gelöst: Umsetzen der Beschichtung durch die hohe Temperatur, insbesondere während des Betriebs durch die hohe Betriebstemperatur des Abgaswärmetauschers, in die Schutzschicht. Vorteilhaft kann also ein mit der Beschichtung versehener Wärmetauscher durch eine einfache Temperaturbehandlung mit der Schutzschicht versehen werden, besonders vorteilhaft lediglich durch die erste Inbetriebnahme des Wärmetauschers.
- Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist durch folgenden Schritt gekennzeichnet: Umsetzen der Beschichtung in einem Ofen. Durch die Umsetzung in einem Ofen kann eine gleichmäßig hohe Temperatur, also eine gleichmäßige Umsetzung der Beschichtung, erreicht werden.
- Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist durch folgenden Schritt gekennzeichnet: Umsetzen beim erstmaligen Erreichen der hohen Betriebstemperatur. Durch diesen Schritt kann also der Abgaswärmetauscher bereits nach der ersten Inbetriebnahme mit der notwendigen Schutzschicht versehen werden.
- Ein weiteres Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist durch folgenden Schritt gekennzeichnet: Umsetzen der Beschichtung in eine korrosionsbeständige, teilkeramische und/oder schwer benetzbare, insbesondere oleophobe, Schutzschicht. Hierdurch kann der Wärmetauscher also nicht nur besonders dauerhaft gegen Korrosion geschützt werden, sondern auch während des Betriebes vor den Wirkungsgrad reduzierenden Verschmutzungen bewahrt werden.
- Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.
- Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher aus Aluminium oder Edelstahl. Der Abgaswärmetauscher weist einen Hohlraum und/oder einen Kanal auf, der im Betrieb des Abgaswärmetauschers von Abgas durchströmt wird. Der Hohlraum weist eine Beschichtung mit einem Beschichtungsstoff auf. Der Beschichtungsstoff kann katalytisch wirkende Additive enthalten, welche den Anteil an Kohlenwasserstoffen und Ruß im Abgas reduzieren. Dadurch wird die Leistung eines an den Abgaswärmetauscher gekoppelten Motors positiv beeinflusst und die Leistungsminderung des Abgaswärmetauschers während des Betriebs des Motors verringert. Diese Additive können direkt in der Beschichtung eingebaut sein oder auch mikroverkapselt in Form von Mikrokapseln in die Schicht eingebaut sein. Dabei können die Mikrokapseln eine Depotwirkung aufweisen und die Additive beziehungsweise den Katalysator über einen längeren Zeitraum abgeben. Außerdem ist es möglich, dass der Beschichtungsstoff auf Nanotechnologie basiert, also Nanopartikel enthält. Hierdurch kann beispielsweise die Haftung der Beschichtung sowie deren Beständigkeit gegen Abrieb erhöht werden.
- Die Beschichtungsstoffe können beispielsweise polymerisierbare (oder polykondensierbare) metallorganische Verbindungen aufweisen wie zum Beispiel metallorganische Verbindungen auf Ti-, Zr-, Si-Basis (Silane, Siloxane, Silazane, Silikate) wie Tretra-n-Propoxysilan, Zirkonium-n-Propoxid, Titanium-n-Propoxid; Trialkoxysilane, die Vinyl-, Methacryl- oder Epoxy-Einheiten und/oder deren mit Fluor, Chlor, Brom und/oder Jod hallogenierten Derivate.
- Ferner ist es möglich, als Beschichtungsstoff Polymersysteme, die bei hohen Temperaturen vernetzen und durch Abspaltung von niedermolekularen Verbindungen in hochtemperaturbeständige Formen übergehen (zum Beispiel organische Silikonverbindungen (zum Beispiel Silikonharze), Polyamid-Imid-Lacke oder ähnliche) einzusetzen. Solche Systeme können strahlungs-, temperatur- oder chemisch aushärtend sein.
- Als katalytisch wirkende Additive können Elemente und deren Verbindungen aus der VIII. Nebengruppe (Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin) verwendet werden. Außerdem können die Additive Mischmetalloxide aus Metallen der V. - VIII. Nebengruppe aufweisen, zum Beispiel Vanadium und/oder Mangan.
- Der Beschichtungsstoff kann auch Partikel aufweisen und/oder aus Partikeln bestehen.
- Die Partikel können beispielsweise Oxide, Oxidhydrate, Nitride und/oder Carbide von Hauptgruppenelementen, wie zum Beispiel Aluminium, Silizium, Indium, Bor, und/oder Übergangsmetalle vorzugsweise der IV. und V. Nebengruppe und/oder Cer und/oder Zink und/oder metallische Partikel aus zum Beispiel Silizium, Aluminium, Zirkon, Titan aufweisen. Ferner ist es möglich, mit den vorgenannten Stoffen oder Verbindungen beschichtete und/oder aufgepfropfte Partikel vorzusehen.
- Außerdem kann es sich bei den Partikeln um metallische Partikel der Elemente und deren Verbindungen aus der VIII. Nebengruppe (Ruthenium, Rhodium, Palladium, Osmium, Iridium, Platin) handeln.
- Die Partikel können eine Größe zwischen 1 und 50.000 Nanometer aufweisen. Vorzugsweise weisen die Partikel eine Größe zwischen 1 und 1.000 Nanometer, vorzugsweise zwischen 1.000 und 10.000 Nanometer, bevorzugt zwischen 10.000 und 50.000 Nanometer auf.
- Die Mikrokapseln können die zu den Additiven und Partikeln aufgeführten Stoffe und/oder Verbindungen enthalten.
- Die aufgeführten Beschichtungsstoffe der Beschichtung beziehungsweise der Schutzschicht können abhängig von der Löslichkeit und dem Aggregatszustand als Lösung in einem organischen und/oder anorganischen Lösungsmittel oder als Dispersion, in der eine chemische Verbindung, insbesondere Salz als Feststoff, eingearbeitet wurde und/oder als Aerosol appliziert werden.
- Die Applikation des Beschichtungsstoffes kann über nach dem Stand der Technik verfügbare Verfahren erfolgen. Insbesondere kann der Beschichtungsstoff durch Tauchen, Zwangsfluten, Befüllen, Bedampfen und/oder Beaufschlagen mit Aerosolen erfolgen. Es ist möglich, überschüssigen Beschichtungsstoff durch Ausfließen aus dem Wärmetauscher zu entfernen. Darüber hinaus ist es möglich, den Entleerungsvorgang beispielsweise durch Schleudern und/oder Ausblasen zu beschleunigen.
- Die so aufgebrachte Schutzschicht wird nach der Applikation getrocknet. Die Trocknung erfolgt bei Temperaturen zwischen 60° C und 150° C, bevorzugt zwischen 80° C und 110° C.
- Die lediglich getrocknete Schicht weist noch nicht die vorteilhaften Eigenschaften aus.
- Die Ausbildung der vorteilhaften Schichteigenschaften erfolgt bei hohen Temperaturen, kann also unabhängig von dem Trocknungsvorgang, beispielsweise zu einem späteren Zeitpunkt, erfolgen. Vorteilhaft kann die Behandlung durch die hohen Temperaturen während des Betriebs des Wärmetauschers, zum Beispiel während des Betriebs eines dazugehörigen Fahrzeuges, erfolgen, Es ist jedoch auch möglich, eine separate Wärmebehandlung bei hohen Temperaturen vorzunehmen, beispielsweise in einem Ofen und/oder durch Beaufschlagen des Wärmetauschers mit einem heißen Medium, beispielsweise mit Heißluft. Vorteilhaft kann durch die Temperaturbehandlung eine Verdichtung der Beschichtung, beziehungsweise eine Umsetzung der Beschichtung in die Schutzschicht, also eine Umsetzung des vorher aufgebrachten und getrockneten Beschichtungsstoffes, erzielt werden. Die sich bei den hohen Temperaturen ausbildende Schicht besitzt die korrosionsschützenden Eigenschaften. Darüber hinaus kann die ausgebildete Schutzschicht teilkeramisch und/oder schwer benetzbar sein, insbesondere oleophob. Die erforderlichen Temperaturen zur Ausbildung der Schichteigenschaften liegen in einem Bereich höher als 250° C. Vorteilhaft können die Schutzschichten in einem Temperaturbereich zwischen 250° C und 350° C, vorzugsweise 300° C bis 1000° C, bevorzugt 250° C bis 500° C, bevorzugt 300° C bis 700° C, bevorzugt 350° C bis 450° C, bevorzugt 400° C bis 550° C, bevorzugt 500° C bis 700° C, liegen.
- Der Wärmetauscher kann Metalle, wie beispielsweise Aluminium und Aluminiumlegierungen aufweisen. Geeignet sind auch Stähle, insbesondere Chromnickelstähle, Nickelbasislegierungen, Kupfer, Bronze, Messing sowie Titan und Titanlegierungen.
- Vorteilhaft kann die Beschichtung beziehungsweise die Schichtzusammensetzung auf die jeweilige Betriebstemperatur des Wärmetauschers, insbesondere des Abgaswärmetauschers beziehungsweise Ladeluftkühlers, angepasst werden. Außerdem kann die Schichtzusammensetzung auf das Material des Wärmetauschers abgestimmt werden.
Claims (8)
- Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher, mit mindestens einer von einem Medium, insbesondere von Abgas, beaufschlagten Fläche aus Metall, insbesondere aus Aluminium oder Edelstahl, die mit einer Beschichtung versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung durch eine hohe Temperatur, insbesondere eine erstmalige hohe Betriebstemperatur, in eine korrosionsbeständige, teilkeramische und/oder schwer benetzbare, insbesondere oleophobe, Schutzschicht umsetzbar und/oder umgesetzt ist.
- Wärmetauscher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung und/oder die Schutzschicht katalytisch wirkende Additive aufweist.
- Wärmetauscher nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass die Additive mikroverkapselt sind.
- Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung und/oder die Schutzschicht Nanopartikel aufweist.
- Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, insbesondere eines Abgaswärmetauschers nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:- Umsetzen der Beschichtung durch die hohe Temperatur, insbesondere während des Betriebs durch die hohe Betriebstemperatur des Abgaswärmetauschers, in die Schutzschicht.
- Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:- Umsetzen der Beschichtung in einem Ofen.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 6, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:- Umsetzen der Beschichtung beim erstmaligen Erreichen der hohen Betriebstemperatur.
- Verfahren nach einem der Ansprüche 5 bis 7, gekennzeichnet durch folgenden Schritt:- Umsetzen der Beschichtung in eine korrosionsbeständige, teilkeramische und/oder schwer benetzbare, insbesondere oleophobe, Schutzschicht.
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