DE102006054723A1 - Heat exchanger, in particular exhaust gas heat exchanger - Google Patents
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Abstract
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 Beschichtung ist durch eine hohe Temperatur, insbesondere eine erstmalige hohe Betriebstemperatur, in eine korrosionsbeständige, teilkeramische und/oder schwer benetzbare, insbesondere olephobe, Schutzschicht umsetzbar und/oder umgesetzt.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 coating can be converted and / or converted into a corrosion-resistant, partially ceramic and / or difficultly wettable, in particular olephobic, protective layer by a high temperature, in particular a first-time high operating temperature.
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.The The invention relates to a heat exchanger, in particular Exhaust gas heat exchanger, with at least one of a medium, in particular exhaust, acted upon area of metal, in particular of aluminum or stainless steel, provided with a Coating is provided. The invention also relates to a method for Production of a previously described heat exchanger.
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.exhaust, mainly from diesel engines, leads in flue gas heat exchangers together with humidity and temperature to corrosion attacks on the used metallic materials. For protection against corrosion can temperature resistant Coatings are used.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmetauscher mit einer gegenüber dem Stand der Technik verbesserten Schutzschicht bereit zu stellen.task The invention is a heat exchanger with one opposite to provide the prior art improved protective layer.
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.The Task is with a heat exchanger, in particular Exhaust gas heat exchanger, with at least one of a medium, in particular exhaust, acted upon area of metal, in particular of aluminum or stainless steel, provided with a Coating is provided, solved by the coating by a high temperature, in particular a first high operating temperature, in a corrosion resistant, partially ceramic and / or difficult to wet, in particular oleophobic, Protective layer can be implemented and / or implemented. The coating can So advantageous before the first start of the heat exchanger be applied as an inner coating on the exhaust side. Advantageous This coating can be due to a high temperature in the necessary Protective layer can be implemented. This can be done, for example, before first start in an oven. It is, however possible, the heat exchangers first to be delivered with the unreacted coating and to assemble. Advantageously, this coating changes at the first Commissioning by the occurring high operating temperature automatically into the desirable ones and necessary exhaust-side protective layer around.
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.One preferred embodiment of the heat exchanger is characterized in that the coating and / or the protective layer having catalytically active additives. This can advantageously the proportion of unburned hydrocarbons and / or Soot reduced become. This may affect the performance of the exhaust gas heat exchanger Coupled motor to be optimized, so an optimal heat transfer the exhaust gas heat exchanger guaranteed become. The additives can do this be installed directly in the protective layer.
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.One Another preferred embodiment of the heat exchanger is characterized in that the additives are microencapsulated. Due to the microencapsulation a depot effect can be achieved so that the catalyst over longer Time is given continuously.
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.One Another preferred embodiment of the heat exchanger is characterized in that the coating and / or the protective layer Has nanoparticles. Due to the nanoparticles, the adhesion of the Protective layer and its resistance increased against abrasion become.
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. Vor teilhaft 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.at a method for producing a heat exchanger described above, in particular an exhaust gas heat exchanger, the above task is solved by the following step: React the coating by the high temperature, especially during the Operation due to the high operating temperature of the exhaust gas heat exchanger, in the protective layer. Before geous so can one with the coating provided heat exchanger provided by a simple temperature treatment with the protective layer be particularly advantageous only by the first commissioning of the heat exchanger.
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.One preferred embodiment of the procedure is characterized by the following step: Implement the coating in an oven. By the implementation in an oven can be a consistently high Temperature, so a uniform implementation the coating can be achieved.
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.One Another preferred embodiment of the procedure is characterized by the following step: Implement when reaching the high operating temperature for the first time. Through this Step can therefore be the exhaust gas heat exchanger already after the first commissioning with the necessary protective layer be provided.
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.One another embodiment of the procedure is characterized by the following step: Implement the coating in a corrosion-resistant, semi-ceramic and / or difficult to wet, especially oleophobic, protective layer. hereby can the heat exchanger So not only are you permanently protected against corrosion, but also even while the operation before the efficiency reducing contaminants be preserved.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind.Further Advantages, features and details of the invention will become apparent the following description, in the various embodiments are described in detail.
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.The invention relates to a Abgaswärmetau 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 positively affects the performance of an engine coupled to the exhaust heat exchanger and reduces the exhaust heat exchanger's performance degradation during engine operation. 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. It is also possible that 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.
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.The Coating materials can For example, polymerizable (or polycondensable) organometallic Have compounds such as organometallic compounds Ti, Zr, Si based (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 derivatives fluorinated with fluorine, chlorine, bromine and / or iodine.
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.Further Is it possible, as a coating material polymer systems that are at high temperatures crosslink and by cleavage of low molecular weight compounds in high temperature resistant Go over forms (For example, organic silicone compounds (for example, silicone resins), Polyamide-imide coatings or similar) use. Such systems can be radiation, temperature or chemical curing.
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.When Catalytically active additives can be elements and their compounds from the VIII. Subgroup (ruthenium, rhodium, Palladium, osmium, iridium, platinum). In addition, the Additive mixed metal oxides of metals of V.-VIII. Have subgroup, for example vanadium and / or manganese.
Der Beschichtungsstoff kann auch Partikel aufweisen und/oder aus Partikeln bestehen.Of the Coating material may also comprise particles and / or particles consist.
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.The Particles can 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, Zircon, titanium. Furthermore, it is possible with the aforementioned Substances or compounds coated and / or grafted particles provided.
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.In addition, can the particles are metallic particles of the elements and their compounds from the VIII. Subgroup (ruthenium, rhodium, Palladium, osmium, iridium, platinum).
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.The Particles can a size between 1 and 50,000 nanometers. 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.
Die Mikrokapseln können die zu den Additiven und Partikeln aufgeführten Stoffe und/oder Verbindungen enthalten.The Microcapsules can the substances and / or compounds listed for the additives and particles contain.
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.The listed Coating materials of the coating or the protective layer can depend on the solubility and the state of aggregation as a solution in an organic and / or inorganic solvent or as a dispersion, in which a chemical compound, especially salt as a solid, was incorporated and / or applied as an aerosol.
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 Be schichtungsstoff durch Ausfließen aus dem Wärmetauscher zu entfernen. Darüber hinaus ist es möglich, den Entleerungsvorgang beispielsweise durch Schleudern und/oder Ausblasen zu beschleunigen.The Application of the coating material can over the prior art available procedures respectively. In particular, the coating material by dipping, Forced flood, filling, Steaming and / or applying aerosols done. It is possible, excess coating material by flowing out from the heat exchanger to remove. About that In addition, it is possible to Emptying process, for example, by spinning and / or blowing to accelerate.
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.The so applied protective layer is dried after the application. The drying takes place at temperatures between 60 ° C and 150 ° C, preferably between 80 ° C and 110 ° C.
Die lediglich getrocknete Schicht weist noch nicht die vorteilhaften Eigenschaften aus.The only dried layer does not yet have the advantageous Properties off.
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.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. Advantageously, the treatment can be carried out by the high temperatures during operation of the heat exchanger, for example during operation of an associated vehicle. However, it is also possible to carry out a separate heat treatment at high temperatures, for example in an oven and / or by charging the heat exchanger with a hot medium, for example with hot air. Advantageously, by the temperature treatment, 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. In addition, 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. Advantageously, 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.
Der Wärmetauscher kann Metalle, wie beispielsweise Aluminium und Aluminiumlegierungen aufweisen. Geeignet sind auch Stähle, insbesondere Chromnickelstähle, Nickelbasislegierungen, Kupfer, Bronze, Messing sowie Titan und Titanlegierungen.Of the heat exchangers may include metals such as aluminum and aluminum alloys. Also suitable are steels, in particular chromium-nickel steels, Nickel-based alloys, copper, bronze, brass and titanium and Titanium alloys.
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.Advantageous can the coating or the layer composition to the respective operating temperature of the heat exchanger, in particular the exhaust gas heat exchanger or intercooler, be adjusted. Furthermore The layer composition can affect the material of the heat exchanger be matched.
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