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Diese
Erfindung betrifft allgemein den Schutz von Metallen vor einer korrosiven
Umgebung und genauer den Schutz von Kupfer-Aluminium-Wärmeaustauschern
zur Verwendung in Klimaanlagen.
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Galvanische
Korrosion tritt auf, wenn zwei ungleichartige Metalle in Anwesenheit
eines Elektrolyten miteinander in Kontakt kommen, wodurch sie ein
galvanisches Paar bilden. Das edlere Metall (höher in der galvanischen Reihe)
liefert die Oberflächenfläche für die Reduktionsreaktion,
und das weniger edle Metalle (niedriger in der galvanischen Reihe) korrodiert
in einem Oxidationsprozess. Die Oxidation tritt im größten Ausmaß an der
Grenzfläche
der zwei Metall auf, kann aber auch in einem gewissen Abstand von
der tatsächlichen
Grenzfläche
entfernt auftreten. In Küstenregionen
ist der üblichste
Elektrolyt Salzwasser in der Luft. Ein feiner Salzwassernebel kann
bis zu 50 Meilen von der Küste
entfernt ins Inland geblasen werden. Schwefeldioxid von industrieller
Verschmutzung erzeugt ebenfalls einen Elektrolyten, wenn es sich
mit Feuchtigkeit in der Luft vereinigt.
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Ein übliches
Verfahren zur Verhinderung von galvanischer Korrosion bestand darin,
die exponierten Oberflächen
der Metalle mit verschiedenen Anstrich-Arten zu beschichten. Diesen Schutzbeschichtungen
war aus einer Anzahl von Gründen
nur begrenzter Erfolg beschieden. Das Hauptproblem mit Beschichtungen
ist, dass ihre Wirksamkeit bei der Verhinderung von Korrosion dadurch,
dass sie der Umgebung wie ultraviolettem Licht und saurem Regen
ausgesetzt werden, verschlechtert wird. Ein anderes gängiges Problem
ist, dass die Beschichtungsmaterialien oft nicht gut an den Metallsubstraten
haften und schließlich
abblättern
oder weg erodieren, wobei sie die Metallsubstrate exponieren. Darüber hinaus
sind solche Schutzbeschichtungen etwas porös und lassen zu, dass der Elektrolyt
die Oberfläche
der Substrate durchdringt und das galvanische Paar verbindet. Zusätzlich kann
die Aufbringung von Schutzbe schichtungen auf die Oberflächen bestimmter
Gegenstände
ihr Verhalten negativ beeinflussen.
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Es
wurden Versuche gemacht, mit unterschiedlichem Ausmaß an Erfolg,
konventionelle Kupfer-Aluminium-Wärmeaustauscher in dem Bemühen, die
Nutzlebensdauer der Baueinheit zu verlängern, mit verschiedenen Materialien
zu beschichten. Diese Beschichtungsmaterialien verringern oftmals
die Wärmeübertragungsfähigkeit
der Baueinheit, zeigen schlechte Hafteigenschaften und vermögen nicht
in all die Bereiche einzudringen, die einer feindlichen Umgebung
ausgesetzt werden könnten.
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Die
japanische Patentveröffentlichung
JP 53 132 449 A offenbart
einen Wärmeaustauscher,
der aus einem Eisenrohr und Aluminiumrippen hergestellt ist, wobei
die gesamte Anordnung mit einer Aluminium-Hartlötplattierung beschichtet ist.
Die britische Patentveröffentlichung
GB 2 284 882 A offenbart
einen Rippen- und Rohr-Wärmeaustauscher,
der aus einem Rohr, bevorzugt Stahl, das mit einer metallischen
Beschichtung, insbesondere einer weichen geschmeidigen metallischen
Beschichtung, beschichtet ist, um eine Korrosionssperre auf dem
Rohr zu schaffen und um eine Korrosion des Rohrs selbst zu verhindern
und um die Bindung zwischen dem Rohr und den Rippen zu verbessern,
hergestellt ist. Die französische
Patentveröffentlichung
FR 2 179 317 A offenbart
einen Wärmeaustauscher,
der aus Kupferrohren und Aluminiumrippen hergestellt ist, bei dem
das Rohr mit einem Lötmittel
beschichtet ist, das mittels eines Heißtauchverfahrens in einer Dicke
von 20 bis 50 μm
aufgetragen wurde. Die japanische Patentveröffentlichung
JP 63 034 495 A offenbart
einen Wärmeaustauscher
mit Aluminiumrippen und einem Rohr aus einer Aluminiumlegierung,
das mit einem Aluminiumlegierung-Hartlot, das Zink enthalten kann, flammbeschichtet
ist.
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Erfindungsgemäß wird ein
Verfahren, wie es in Anspruch 1 definiert ist, bereitgestellt. Optionale Merkmale
sind in den abhängigen
Ansprüchen
definiert.
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein fortschrittliches Verfahren
zum Schutz gegen galvanische Korrosion. Bei einem Gegenstand, der
aus zwei Metallen hergestellt ist, von denen eines edler ist als
das andere, wird vor dem Zusammenbau die äußere Oberfläche des edleren Metalls mit
einem Metall behandelt, das mit dem weniger edlen Metall galvanisch
verträglicher
ist als das edlere Metall mit dem weniger edlen Metall galvanisch
verträglich
ist, um eine Schutzschicht auf der Oberfläche des edleren Metalls und
zwischen dem weniger edlen Metall und dem edleren Metall zu bilden,
wodurch die galvanische Korrosion des weniger edlen Metalls verringert
wird. Durch optimale Auswahl des Behandlungsmetalls, das auf das
edlere Metall aufgebracht wird, verringert die Erfindung stark den
Oxidations-Reduktions-Prozess, der eine Korrosion des weniger edlen Metalls,
beispielsweise einer an ein Kupferrohr eines Wärmeaustauschers montierten
Aluminiumrippe, in Anwesenheit eines Elektrolyten verursacht.
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1 ist
eine perspektivische Ansicht eines Wärmeaustauschers, der Wärmeaustauscher-Rohre,
die gemäß der vorliegenden
Erfindung behandelt wurden, enthält.
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Wie
unten genau beschrieben wird, wird die vorliegende Erfindung dabei
beschrieben, wie sie für den
Schutz eines Kupfer-Aluminium-Wärmeaustauschers
gegen galvanische Korrosion sorgt. Es sollte jedoch für Fachleute
offensichtlich sein, dass die vorliegende Erfindung nicht auf dieses
spezielle Beispiel beschränkt
ist und in Verbindung mit einer Anzahl von Anordnungen, wo ungleichartige
Metalle in Anwesenheit eines Elektrolyten miteinander in Kontakt sind,
verwendet werden könnte.
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1 veranschaulicht
einen Rippe/Rohr/Wärmeaustauscher 10 des
Typs, der typischerweise in Klimaanlagen-Baueinheiten verwendet wird.
Der Wärmeaustauscher
enthält
einen oder mehrere Strömungskreise
zum Führen
von Kühlmittel
durch die Wärmeaustauscher-Baueinheit.
Zu Erläuterungszwecken
enthält
der Wärmeaustauscher 10 ein
einziges Strömungskreis-Rohr 2,
das aus einer Einlassleitung 3 und einer Auslassleitung 4,
die an einem Ende des Wärmeaustauschers 10 mittels eines
90°-Rohrbogens 5 verbunden
sind, besteht. Es sollte jedoch offensichtlich sein, dass in Abhängigkeit von
den Anforderungen des Systems der Baueinheit mehr Kreise hinzugefügt werden können. Die
Baueinheit enthält
ferner eine Reihe von Rippen 6, die radial angeordnete,
entlang der Länge
des Strömungskreises
beabstandete, plattenartige Elemente aufweisen. Die Rippen 6 werden
in der Anordnung zwischen einem Paar Endplatten 7 und 8 gehalten,
um einen Gasströmungsweg
zu definieren, durch den ein Gas über die Verlängerung
des Rohrs 2 und zwischen den beabstandeten Rippen 6 hindurchgeht.
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Wie
oben angegeben, werden Wärmeaustauscher
dieses Typs bei Gebrauch üblicherweise korrosiven
Umgebungen ausgesetzt. Bei einer typischen Anordnung werden Wärmeaustauscher
dieses Typs unter Verwendung von Kupferrohren für die Strömungskreis-Rohre und von Aluminium
für die Rippen
hergestellt. Die Rippen sind in Berührung mit den Rohren angeordnet
und ziehen Wärme
durch Wärmeleitungsübertragung
von den Rohren ab und leiten die Wärme dann durch Wärmekonvektionsübertragung
an das Gas (üblicherweise
Luft), das über die
Rohre strömt,
ab. Beim Bau der Rohre wird Kupfer verwendet wegen seiner guten
Wärmeübertragungseigenschaften,
allgemeinen Korrosionsbeständigkeit
und einfachen Reparierbarkeit. Die Rippen werden aus Aluminium hergestellt
wegen seiner guten Wärmeübertragungseigenschaften,
Einfachheit der Herstellung und der geringen Kosten. Bei bestimmten
Anwendungen werden Wärmeaustauscher verwendet,
die vollständig
aus Kupfer, wie auch vollständig
aus Aluminium, hergestellt sind, um die Probleme der galvanischen
Korrosion zu vermeiden, aber um den Preis der oben charakterisierten
Kompromisse.
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Aluminium
ist beträchtlich
niedriger in der galvanischen Reihe, d.h. weniger edel, als Kupfer. Dies
ist der Grund, dass das Aluminium oxidiert oder korrodiert, wenn
es in Anwesenheit eines Elektrolyten mit Kupfer in Kontakt ist.
In der in 1 gezeigten Anordnung ist es
die Grenze von Rohr und Rippe, wo das galvanische Paar gebildet
wird und wo die Korrosion der Aluminiumrippen auftritt. Sobald die
Rippe an der Überschneidung
korrodiert ist, ist die Rippe nicht länger mit dem Rohr in Kontakt,
und daher ist die Wärmeaustauscher-Effizienz stark verringert, weil
die Rippe ihre Fähigkeit
verliert, Wärme
von dem Rohr weg zu leiten.
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Wie
unten genauer erläutert
wird, werden gemäß der vorliegenden
Erfindung die exponierten Oberflächen
der Rohre 2 mit Aluminium oder einem Metall, das mit Aluminium
galvanisch verträglicher ist,
beschichtet oder angereichert. Aluminium ist das beste Anwärtermaterial,
da sich zwischen der Aluminium-Beschichtung
und den Aluminium-Rippen 6 kein galvanisches Paar bildet.
Derartige aktive Metalle wie Zink, Zinn-Magnesium, Gallium, Cadmium
und Blei verringern jedoch auch das Ausmaß des galvanischen Paars und
daher die Oxidationsrate des Rippenmaterials.
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Die
Beschichtung oder Oberflächenanreicherung
der Kupferrohre 12 mit Aluminium wird vor der Montage des
Wärmeaustauschers 10 ausgeführt. Das
Aluminisieren von Kupfer ist eine wohl bekannte Praxis und kann
mit einem solchen Präzisionsgrad
ausgeführt
werden, dass die oben angegebenen Probleme mit konventioneller Beschichtung zum
Korrosionsschutz praktisch beseitigt werden. Mehrere Verfahren zum
Aluminisieren der Kupferrohre sind in der Industrie bekannt und
werden von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen. Die Beschichtungsverfahren
umfassen Heißtauchen,
Elektroplattieren, Anstriche und Aufschlämmungen mit Aluminium-Füllstoff
und thermisches Spritzen. Die Oberflächen-Anreichungsverfahren umfassen
Ionen-Dampfabscheidung, chemische Dampfabscheidung und physikalische
Dampfabscheidung.
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Der
kritische Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Herstellung
einer gleichmäßigen Beschichtung
aus Aluminium auf der gesamten Oberfläche der Strömungskreis-Rohre 2.
Unabhängig
von dem in Betracht gezogenen Verfahren müssen die Variablen der Rohr-Oberflächenvorbereitung,
der Rohr-Vorheiztemperatur,
der Beschichtungs-Zusammensetzung und der Beschichtungs-Dicke sorgfältig kontrolliert
werden, um die ordnungsgemäßen Ergebnisse
der vorliegenden Erfindung zu erzielen. Die Vorbereitung der exponierten
Oberflächen
des Rohrs ist bevorzugt, um die Oberflächenoxidschicht von dem Kupfer
zu entfernen, um sicherzustellen, dass das Beschichtungsmaterial
gut an dem Rohr haftet. Eine Anzahl von Oberflächen-Vorbereitungsverfahren
ist in der Industrie bekannt, und dazu gehört die Verwendung von reduzierenden
Gasen, Flussmitteln und Sandstrahlen. Die Rohr-Vorheiztemperaturen sollten zwischen
24°C und
600°C kontrolliert
werden, um die Auflösung
von Kupfer zu verhindern und um das intermetallische Wachstum während des
Beschichtungsprozesses zu begrenzen.
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Es
ist bevorzugt, dass die Beschichtung eine hohe Duktilität hat, um
die nachfolgende Montage des Wärmeaustauschers
ohne Beschädigung
der Beschichtung zu erlauben. Die Duktilität der Beschichtung wird teilweise
durch die Beschichtungszusammensetzung und die Dicke der Beschichtung
bestimmt. Wie oben erwähnt,
würde jede
metallische Zusammensetzung, die mit dem Rippenmaterial galvanisch
verträglicher
ist als das Rohrmaterial, die Oxidationsrate der Rippen 6 verlangsamen,
während das
ideale Beschichtungsmaterial genau mit dem Rippenmaterial übereinstimmen
würde.
Bestimmte Aluminiumlegierungen werden zur Verwendung bei der vorliegenden
Erfindung erwogen, und zu ihnen gehören Aluminium in Kombination
mit Silicium und Aluminium in Kombination mit Zink. Die Beschichtung
sollte vorteilhafterweise dick genug sein, um das Eindringen des
Elektrolyten zu verhindern. Da jedoch jede Beschichtung eine gewisse
negative Wirkung auf die Wärmeübertragung
der Baueinheit hat, sollte eine übermäßig dicke
Schutzschicht vermieden werden. Der optimale Dickenbereich, der
von der vorliegenden Erfindung in Betracht gezogen wird, ist 0,1 mil
bis 2 mil (2,5 bis 51 μm).