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Die
Erfindung bezieht sich auf einen Wärmetauscher mit oberflächenbehandelten
Wärmeübertragungsoberflächen. Des
Weiteren betrifft sie ein Verfahren zur Oberflächenbehandlung von Wärmetauschern.
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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.
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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 Wärmeübertragung
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 unerwünschte
Geruchsbildung zur Folge haben kann. Außerdem sind durch die feuchten
Verschmutzungen insbesondere Schäden durch
Korrosion begünstigt.
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Um
die Ansammlung von Wasser und Schmutz auf einer Oberfläche zu vermeiden,
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 Gesamtleistung des Wärmetauschers.
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Um
dieses Problem unter Beibehaltung der Bauart des Wärmetauschers
zu lösen,
ist eine hydrophile Ausstattung der Wärmeübertragungsoberflächen erwünscht.
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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 Mikroorganismen auf der Wärmeübertrageroberfläche vermindert.
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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, ungesättigten
Monomeren enthält
und korrosionsschützende
und hydrophile Eigenschaften aufweist.
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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.
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Durch
diese Art der Beschichtung sind in der Regel Kompromisse notwendig,
so dass sich beispielsweise eine optimale Korrosionsbeständigkeit und
eine gleichzeitig dauerhaft hydrophile Oberfläche zur Selbstreinigung nicht
in gleicher Qualität
erreichen lassen.
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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 Aluminiumverbindungen, 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 Wärmetauschers
angegeben werden.
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Bezüglich des
Wärmetauschers
wird die Aufgabe erfindungsgemäß gelöst, indem
auf seinen Wärmeübertragungsoberflächen mehrere
Schichten aufgebracht sind, wobei zur Beschichtung Nanopartikel
eingesetzt sind.
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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 chemische 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.
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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.
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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 kleine 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 größeren 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.
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Nanopartikel
lassen sich beispielsweise durch Plasmaverfahren, Laserablation,
Gasphasensynthese, Sol-Gel-Verfahren, Funkenerosion oder Kristallisation
u. a. herstellen.
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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 ausgestattete Oberfläche keine
Angriffsfläche
für Beschädigungen der
Schutzbeschichtung, 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.
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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.
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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 Benetzungskontaktwinkel 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.
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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, 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.
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Für einen
Einsatz des Wärmetauschers
in Klimaanlagen, insbesondere in Kraftfahrzeugen, ist aus Effizienzgründen zweckmäßigerweise
eine besonders dünne
Beschichtung vorgesehen, die zu keiner wesentlichen Volumenund 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.
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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 Beschichtung Nanopartikel
eingesetzt werden.
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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.
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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.
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In
alternativer Ausgestaltung des Verfahrens werden die einzelnen Schichten
vorzugsweise in getrennten Behandlungsschritten mit jeweiliger Zwischentrocknung
aufgebracht.
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Die
mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin,
dass durch eine Mehrfachbeschichtung von Wärmeübertragungsoberflächen, wobei
zur Beschichtung Nanopartikel eingesetzt sind, ein Wärmetauscher
zur Verfügung
gestellt wird, der verschiedene, zum Teil auch divergierende Anforderungen
gewährleistet.
Durch den ausgewählten
Einsatz von nanoskaligen 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
Wärmeübertragungsoberflächen 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.
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Als
ein Ausführungsbeispiel
ist ein Wärmetauscher,
insbesondere ein Verdampfer für
Klimaanlagen in Kraftfahrzeugen, mit einer Zweifachbeschichtung
seiner Wärmeübertragungsoberflächen aus
Aluminiumsubstrat vorgesehen. Die Nanopartikel für die jeweilige Schicht werden
dabei nach einem Sol-Gel-Verfahren hergestellt.
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Selbstverständlich lässt sich
je nach erwünschtem
Anforderungsprofil auf die Wärmeübertragungsoberflächen auch
eine Mehrfachbeschichtung applizieren; und selbstverständlich können sich die
für jede
Schicht stofflich unterschiedlichen Nanopartikel auch durch andere
Prozesse als das Sol-Gel-Verfahren,
wie beispielsweise durch das Plasmaverfahren, die Laserablation,
Gasphasensynthese, Funkenerosion oder die Kristallisation u. a., herstellen
lassen.
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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 Kondensatwasserbelastung
von über
1000 Stunden nach dem Kondenswasserkonstantklimatest gemäß DIN 50017-KK noch
immer unter 40° beträgt. Die
Gesamtschichtdikke des Schichtaufbaus aus Grund- und Deckschicht beträgt maximal
2 μm.
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Damit
ist durch die erste Schicht oder die Grundschicht ein optimaler
Korrosionsschutz 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.