EP1926962A1 - Wärmetauscher, insbesondere abgaswärmetauscher - Google Patents

Wärmetauscher, insbesondere abgaswärmetauscher

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EP1926962A1
EP1926962A1 EP06805687A EP06805687A EP1926962A1 EP 1926962 A1 EP1926962 A1 EP 1926962A1 EP 06805687 A EP06805687 A EP 06805687A EP 06805687 A EP06805687 A EP 06805687A EP 1926962 A1 EP1926962 A1 EP 1926962A1
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EP
European Patent Office
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heat exchanger
coating
exhaust gas
sol
gas heat
Prior art date
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Withdrawn
Application number
EP06805687A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Klaus Fischle
Dieter Gross
Oliver Mamber
Matthias Pfitzer
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Mahle Behr GmbH and Co KG
Original Assignee
Behr GmbH and Co KG
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Publication date
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Publication of EP1926962A1 publication Critical patent/EP1926962A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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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
    • 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
    • F28F19/06—Preventing the formation of deposits or corrosion, e.g. by using filters or scrapers by using coatings, e.g. vitreous or enamel coatings of metal
    • 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

Definitions

  • Heat exchanger in particular exhaust gas heat exchanger
  • the invention relates to a heat exchanger, in particular an exhaust gas heat exchanger, with at least one of a medium, in particular 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, in particular an 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 coating better Has properties as conventional paints and the production is safe to produce.
  • the object is in a heat exchanger, in particular an exhaust gas heat exchanger, with at least one of a medium, in particular of Exhaust gas, applied surface of metal, in particular of aluminum or stainless steel, which is provided with a coating, achieved in that the coating comprises a coating material based on nanotechnology.
  • the coating material comprises at least one nanomaterial or a nanostructure.
  • the coating is vitreous and has a very good chemical resistance.
  • a preferred embodiment of the heat exchanger is characterized in that the coating comprises a main component which is composed of an organic and an inorganic portion. Via the crosslinking temperature, the properties of the coating can be defined or varied over wide limits.
  • the heat exchanger is characterized in that the coating contains silicon.
  • organo (alkoxy) silanes are selectively hydrolyzed by using suitable catalysts with elimination of alcohols.
  • the heat exchanger is characterized in that the coating contains titanium, zirconium, aluminum, magnesium, zinc and / or calcium. Due to the different substances, the inorganic network can be selectively modified.
  • the above-mentioned object is achieved in that the coating is produced in a sol-gel process.
  • a sol for the production of nanomaterials is converted into a gel.
  • Hydrolysis and condensation reactions generate a three-dimensional network of molecules stored together in a liquid.
  • thermal process steps the gels are processed into nanomaterials or nanostructures.
  • a preferred embodiment of the method is characterized in that at least one sol is deposited on the surface to be coated. is brought.
  • the surface to be coated can be wetted with the sol in any manner.
  • Another preferred embodiment of the method is characterized in that the sol is cured to form a crosslinked polymer layer.
  • the curing is preferably carried out under the influence of temperature.
  • a heat exchanger to be coated is flooded with the coating material and emptied; the emptied heat exchanger is heated in a drying oven.
  • the heat exchanger to be coated is forcibly flooded by the coating material and then emptied. Thereafter, the heat exchanger is preferably hung so that excess coating material can completely leak without forming unwanted accumulations of coating material inside the heat exchanger. Drops adhering to the outlet of the heat exchanger are removed in a suitable manner, for example by means of compressed air or with the aid of an electrostatic precipitator.
  • the invention relates to an exhaust gas heat exchanger made of aluminum or stainless steel.
  • the exhaust gas heat exchanger has a cavity which is traversed by exhaust gas during operation of the exhaust gas heat exchanger.
  • the cavity is coated with a coating material based on nanotechnology.
  • the main component of the coating material is composed of an organic and an inorganic portion.
  • Via the crosslinking temperature the properties of the coating can be defined over wide limits. At high baking temperatures, a higher proportion The organic ingredients expelled, that is, the degree of crosslinking is higher. As a result, the corrosion resistance of the layer increases. At low stoving temperatures, the proportion of organic ingredients is higher, that is, the ductility of the coating is greater.
  • An exhaust gas heat exchanger to be coated is forcibly flooded with the coating material according to one aspect of the present invention and then emptied. Thereafter, the exhaust gas heat exchanger is suspended so that excess coating material can completely leak without forming accumulations in the interior. Adhesive drops at the outlet are removed in a suitable manner, for example by compressed air or with the aid of an electrostatic droplet stripper. Subsequently, the exhaust gas heat exchanger then passes through a drying oven.
  • ORMOCER harbors a brand of the Fraunhofer Deutschen Republic for the promotion of applied research in Kunststoff.
  • organo (alkoxy) silanes are specifically hydrolyzed by using suitable catalysts for splitting off alcohols, for example methanol, ethanol, etc.
  • suitable catalysts for splitting off alcohols for example methanol, ethanol, etc.
  • Subsequent condensation reactions lead to the formation of organically modified inorganic-oxidic structures.
  • silicon can also be partially replaced by other elements, in particular titanium, zirconium or aluminum.
  • the elements magnesium, zinc and calcium can be incorporated.
  • the aqueous-alcoholic sols are applied by flooding to the heat exchanger to be coated, which is also referred to as a heat exchanger, and thermally cured. This results in a crosslinked polymer layer.
  • the aim of the coating is, in addition to the anti-corrosive and / or water-repellent property at the same time to prevent the adhesion of dirt, particles, soot and oil films.
  • This oleophobic effect when using ORMOCER layers in a proportion of 0.1 to 10%, preferably 0.5 to 5%, in particular 1 to 2%, of Fluorosilanes can be achieved in the ORMOCER layer.
  • the incorporation of a simultaneously hydrophobic and oleophobic character of the layer is achieved by adding an alkoxysilane with highly fluorinated alkyl chains. Particularly favorable effects are achieved with silanes of the type F13 (CF 3 - (CF 2 ) S -) and F16 (CF 2 H- (CF 2 H).

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen 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. Um die Eigenschaften der Beschichtung zu verbessern, umfasst die Beschichtung ein Beschichtungsmaterial, das auf Nanotechnologie basiert.

Description

Wärmetauscher, insbesondere Abgaswärmetauscher
Die Erfindung betrifft einen Wärmetauscher, insbesondere einen 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 Wärmetau- schers.
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 Lacke verwendet werden.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher, insbesondere einen Abgaswärmetauscher, mit mindestens einer von einem Medium, insbesondere von Abgas, beaufschlagten Fläche aus Metall, insbesondere aus AIu- minium oder Edelstahl, die mit einer Beschichtung versehen ist, zu schaffen, dessen Beschichtung bessere Eigenschaften als herkömmliche Lacke aufweist und der fertigungssicher herstellbar ist.
Die Aufgabe ist bei einem Wärmetauscher, insbesondere einem Abgaswär- metauscher, 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 ein Beschichtungsmaterial umfasst, das auf Nanotechnologie basiert. Vorzugsweise umfasst das Beschichtungsmaterial mindestens einen Nanowerkstoff beziehungsweise eine Nanostruktur. Die Beschichtung ist glasartig und weist eine sehr gute chemische Beständigkeit auf.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers ist dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Hauptkomponente umfasst, die sich aus einem organischen und einem anorganischen Anteil zusammensetzt. Über die Vernetzungstemperatur können die Eigenschaften der Beschichtung über weite Grenzen definiert beziehungsweise variiert werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers ist da- durch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Silicium enthält. Vorzugsweise werden Organo(alkoxy)silane durch Verwendung geeigneter Katalysatoren unter Abspaltung von Alkoholen gezielt hydrolysiert.
Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele des Wärmetauschers sind da- durch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Titan, Zirkonium, Aluminium, Magnesium, Zink und/oder Calcium enthält. Durch die verschiedenen Stoffe kann das anorganische Netzwerk gezielt modifiziert werden.
Bei einem Verfahren zur Herstellung eines vorab beschriebenen Wärmetau- schers, insbesondere eines Abgaswärmetauschers, ist die oben angegebene Aufgabe dadurch gelöst, dass die Beschichtung in einem Sol-Gel-Verfahren erzeugt wird. Bei dem Sol-Gel-Verfahren wird ein SoI zur Herstellung von Nanowerkstoffen in ein Gel überführt. Durch Hydrolyse und Kondensationsreaktionen wird dabei ein dreidimensionales Netzwerk zusammen gelagerter Moleküle in einer Flüssigkeit erzeugt. Durch thermische Verfahrensschritte werden die Gele zu Nanowerkstoffen beziehungsweise Nanostrukturen weiterverarbeitet.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekenn- zeichnet, dass mindestens ein SoI auf die zu beschichtende Fläche aufge- bracht wird. Die zu beschichtende Fläche kann in beliebiger Art und Weise mit dem SoI benetzt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das SoI ausgehärtet wird, um eine vernetzte Polymerschicht zu bilden. Das Aushärten erfolgt vorzugsweise unter Temperatureinwirkung.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist durch fol- gende Verfahrensschritte gekennzeichnet: Ein zu beschichtender Wärmetauscher wird mit dem Beschichtungsmaterial geflutet und entleert; der entleerte Wärmetauscher wird in einem Trockenofen erhitzt. Der zu beschichtende Wärmetauscher wird von dem Beschichtungsstoff zwangsgeflutet und anschließend entleert. Danach wird der Wärmetauscher vorzugsweise so aufgehängt, dass überschüssiger Beschichtungsstoff vollständig auslaufen kann, ohne dass im Inneren des Wärmetauschers unerwünschte Ansammlungen von Beschichtungsstoff gebildet werden. Am Auslauf des Wärmetauschers anhaftende Tropfen werden in geeigneter Art und Weise, zum Beispiel mit Hilfe von Druckluft oder mit Hilfe eines elektrostatischen Tropfenab- ziehers, entfernt.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der verschiedene Ausführungsbeispiel im Einzelnen beschrieben sind. Dabei können die in den Ansprüchen und in der Beschreibung erwähnten Merkmale jeweils einzeln für sich oder in beliebiger Kombination erfindungswesentlich sein.
Die Erfindung betrifft einen Abgaswärmetauscher aus Aluminium oder Edelstahl. Der Abgaswärmetauscher weist einen Hohlraum auf, der im Betrieb des Abgaswärmetauschers von Abgas durchströmt wird. Der Hohlraum ist mit einem Beschichtungsstoff beschichtet, der auf Nanotechnologie beruht. Die Hauptkomponente des Beschichtungsstoffes setzt sich aus einem organischen und einem anorganischen Anteil zusammen. Über die Vernetzungstemperatur können die Eigenschaften der Beschichtung über weite Grenzen definiert werden. Bei hohen Einbrenntemperaturen wird ein höherer Anteil der organischen Inhaltsstoffe ausgetrieben, das heißt der Vernetzungsgrad ist höher. Dadurch nimmt die Korrosionsbeständigkeit der Schicht zu. Bei niedrigen Einbrenntemperaturen ist der Anteil der organischen Inhaltsstoffe höher, das heißt die Duktilität der Beschichtung wird größer.
Ein zu beschichtender Abgaswärmetauscher wird gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung mit dem Beschichtungsstoff zwangsgeflutet und anschließend entleert. Danach wird der Abgaswärmetauscher so aufgehängt, dass überschüssiger Beschichtungsstoff vollständig auslaufen kann, ohne Ansammlungen im Inneren zu bilden. Anhaftende Tropfen am Auslauf werden in geeigneter Weise, zum Beispiel durch Druckluft oder mit Hilfe eines elektrostatischen Tropfenabziehers entfernt. Anschließend durchläuft der Abgaswärmetauscher dann einen Trockenofen.
Die Schichterzeugung erfolgt dabei über einen Sol-Gel-Prozess, beispielsweise durch so genannte ORMOCER-Schichten. Hinter dem Begriff ORMO- CER verbirgt sich eine Marke der Fraunhofer Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung in München. Zur Schichterzeugung werden Orga- no(alkoxy)silane durch Verwendung geeigneter Katalysatoren zur Abspal- tung von Alkoholen, zum Beispiel Methanol, Ethanol etc., gezielt hydrolisiert. Anschließende Kondensationsreaktionen führen zur Ausbildung von organisch modifizierten anorganisch-oxidischen Strukturen. Zur Modifizierung des anorganischen Netzwerks kann Silicium auch teilweise durch andere Elemente, vor allem Titan, Zirkonium oder Aluminium ersetzt werden. Des Wei- teren können die Elemente Magnesium, Zink und Calcium eingebaut werden. Die wässrig-alkoholischen Sole werden im Flutverfahren auf den zu beschichtenden Wärmetauscher, der auch als Wärmeübertrager bezeichnet wird, aufgebracht und thermisch ausgehärtet. Dabei entsteht eine vernetzte Polymerschicht.
Ziel der Beschichtung ist es, neben der korrosionsschützenden und/oder wasserabweisenden Eigenschaft auch gleichzeitig das Anhaften von Schmutz, Partikeln, Ruß und Ölfilmen zu verhindern. Dieser oleophobe Effekt kann bei der Verwendung von ORMOCER-Schichten mit einem Anteil von 0,1 bis 10 %, vorzugsweise 0,5 bis 5 %, insbesondere 1 bis 2 %, der Fluorsilane in der ORMOCER-Schicht erreicht werden. Der Einbau eines gleichzeitig hydrophoben und oleophoben Charakters der Schicht wird durch Zugabe eines Alkoxysilans mit hochfluorierten Alkylketten erreicht. Besonders günstige Effekte werden dabei mit Silanen des Typs F13 (CF3-(CF2)S-) und F16 (CF2H-(CF2H erreicht.

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e
1. 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 ein Beschichtungsmaterial umfasst, das auf Nano- technologie basiert.
2. Wärmetauscher nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung eine Hauptkomponente umfasst, die sich aus einem organischen und einem anorganischen Anteil zusammensetzt.
3. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Silicium enthält.
4. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Titan, Zirkonium und/oder A- luminium enthält.
5. Wärmetauscher nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung Magnesium, Zink und/oder Calcium enthält.
6. Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers, insbesondere eines Abgaswärmetauschers, nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung in einem SoI- Gel-Verfahren erzeugt wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein SoI auf die zu beschichtende Fläche aufgebracht wird.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das SoI ausgehärtet wird, um eine vernetzte Polymerschicht zu bilden.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte:
a) ein zu beschichtender Wärmetauscher wird mit dem Beschich- tungsmaterial geflutet und entleert; b) der entleerte Wärmetauscher wird in einem Trockenofen erhitzt und/oder mit einem heißen Gas, insbesondere Heißluft, durchströmt.
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