Title:
Structured coating with peaks and valleys of high and low thermal conductivity, applied near gas or steam inlets to prevent agglomeration of droplets and erosion, e.g. in condenser tubes or turbine compressors
Kind Code:
A1


Abstract:
A coating (1) applied to the surfaces and edges of components (4) around a gas or steam inlet so as to prevent the agglomeration of droplets on the component (4) and prevent impact erosion of downstream components by droplets, consists of a coating with a capillary-depressive structure comprising peaks with very good thermal conductivity (10) and valleys with very poor thermal conductivity (11). An independent claim is included for a combination of coatings to prevent droplet impact erosion, comprising a coating (1) which is situated as above and a coating as described in which is applied to downstream components.



Inventors:
Reiss, Harald, Prof.Dr.Dr. habil. (Heidelberg, 69118, DE)
Blangetti, Francisco, Dr. (Baden, CH)
Application Number:
DE102006044956
Publication Date:
04/03/2008
Filing Date:
09/22/2006
Assignee:
Reiss, Harald, Prof. Dr. Dr. habil. (Heidelberg, 69118, DE)
International Classes:



Claims:
1. Beschichtung 1, die im Einlassbereich einer Gas- oder Dampfströmung auf den Oberflächen und Kanten von Bauteilen 4 aufgetragen wird, um Agglomeratbildung von Tropfen auf den Bauteilen 4 und Tropfenschlagerosion auf stromabwärts angeordneten Bauteilen zu vermeiden, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche 3 der Beschichtung 1 eine kapillardepressive Struktur mit sehr gut wärmeleitenden Gipfeln 10 und sehr schlecht wärmeleitenden Tälern 11 aufweist.

2. Beschichtung 1 nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Gipfel 10 und Täler 11 als regelmäßiges geometrisches Muster auf der Oberfläche 3 der Beschichtung 1 verteilt sind.

3. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Gipfel 10 gleichmäßig entweder als diskrete punktförmige Erhöhungen der Beschichtung 1 oder gleichmäßig als zusammenhängende schmale Stege 18 der Beschichtung 1 gebildet werden.

4. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 3, daß die Täler 11 gleichmäßig entweder als diskrete punktförmige Senken der Beschichtung 1 oder gleichmäßig als zusammenhängende enge Rillen 19 der Beschichtung 1 parallel zu den Stegen 18 gebildet werden.

5. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß Dicke, Höhe und Abstand der Stege 18 und Weite und Tiefe der Rillen 19 gleich denen der Gipfel 10 und Täler 11 sind.

6. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Stege 18 und Rillen 19 in Richtung senkrecht zur auftreffenden Strömung orientiert sind.

7. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß Höhen der Gipfel 10 oder Stege 18 und Tiefe der Täler 11 oder Rillen 19 geometrisch und wärmetechnisch so dimensioniert sind, daß der Taupunkt in feuchter Atmosphäre oder unter feuchter Strömung nur im Bereich der Gipfelflächen 13 und Gipfelspitzen der Gipfel 10 oder Stege 18 und der oberen Partien 14 der Gipfelflanken 12 oder der Flanken der Stege 19 unterschritten wird.

8. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die lichte Höhe H'' der Gipfel 10 oder der Stege 18 und die lichten Weiten W der Täler 11 zwischen den Gipfeln 10 so dimensioniert sind, daß in den Tälern 11 oder Rillen 19 gebildete Tropfen gegenüber sphärischem Volumen zusammenhängend deformiert werden, sobald der Tropfendurchmesser bei sphärischem Tropfenvolumen die lichte Weite W der Täler 11 oder Rillen 19 überschreitet.

9. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Deformationsenergie gegenüber sphärischem Volumen der Tropfen in den Tälern 11 oder Rillen 19 größer ist als die mechanische Hubarbeit, die erforderlich ist, die Tropfen aus den Tälern 11 oder Rillen 19 auf die Höhe der Gipfel 10 oder Stege 18 herauszuheben.

10. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 9, daß die von oben gesehenen, über die Gipfelgesamthöhe H gemittelten Querschnitte der Gipfel 10 zwischen 10–10 und 10–5 m2, vorzugsweise zwischen 4·10–10 und 10–6 m2, die Gipfelgesamthöhen H der Gipfel 10 zwischen 500 und 3000 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 800 und 1000 Mikrometer, und die lichten Weiten W der Täler 11 zwischen den Gipfeln 10 oberhalb der Höhe H' zwischen 50 und 1000 Mikrometer, vorzugsweise zwischen 100 und 500 Mikrometer betragen.

11. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Gipfelflächen 13 und Gipfelspitzen der Gipfel oder der Stege 18 und die oberen Partien 14 der Gipfelflanken 12 und die Flanken der Stege 18 mit einer nicht benetzbaren Schicht 15 von 3 bis 50 Mikrometer, vorzugsweise von 5 bis 20 Mikrometer Dicke bedeckt sind.

12. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Täler 11 und insbesondere der Talboden 17 der Täler 11 oder der Rillen 19 mit einem Werkstoff 40 bedeckt und bis zu einer Höhe H' von maximal 99%, vorzugsweise 80 bis 90%, der Gipfelgesamthöhe H über dem Talboden 17 der Täler 11 oder der Rillen 19 mit diesem Werkstoff 40 aufgefüllt werden.

13. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung 15 mindestens der Gipfelflächen 13 und Gipfelspitzen der Gipfel oder der Stege 18 und die oberen Partien 14 der Gipfelflanken 12 und der Flanken der Stege 18 eine Grenzflächenspannung von maximal 30 mN/m, vorzugsweise 15 bis 20 mN/m aufweist.

14. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Beschichtung 15 mindestens der Gipfelflächen 13 und Gipfelspitzen der Gipfel oder der Stege 18 und die oberen Partien 14 der Gipfelflanken 12 und der Flanken der Stege 18 aus Plasmapolymeren besteht.

15. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff 40, mit dem die Täler 11 oder die Rillen 19 aufgefüllt werden, eine Grenzflächenspannung von maximal 30 mN/m, vorzugsweise 15 bis 20 mN/m aufweist.

16. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff 40, mit dem die Täler 11 oder die Rillen 19 aufgefüllt werden, aus einem Polymer besteht.

17. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff 40, mit dem die Täler 11 oder die Rillen 19 aufgefüllt werden, aus einem Polyisopren besteht.

18. Beschichtung 1 nach Anspruch 1 bis 13 und Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff 40, mit dem die Täler 11 oder die Rillen 19 aufgefüllt werden, aus Guttapercha besteht.

19. Kombination von Beschichtungen zur Verhinderung von Tropfenschlagerosion, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus einer Beschichtung nach Anspruch 1 bis 18 besteht, die auf Oberflächen und Kanten von Bauteilen im Einlaßbereich einer Strömung aufgetragen wird, und aus einer Beschichtung nach Patentanmeldung PCT WO 03/044374 A1, die auf stromabwärts angeordneten Bauteilen aufgetragen wird.

Description:
Technisches Gebiet

Die Erfindung betrifft eine Beschichtung, die im Einlassbereich einer Strömung von tropfenbeladenen Gasen oder Dämpfen auf den Oberflächen und Kanten von Bauteilen aufgetragen wird, um Tropfenschlagerosion auf stromabwärts angeordneten Bauteilen zu vermeiden.

Stand der Technik

Kondensatorrohre in Dampfkraftwerken, Beschaufelungen im Verdichter von Gasturbinen oder Beschaufelungen von Dampfturbinen oder Bauteile von Flugzeugen und Marinefahrzeugen sind Flüssigkeitstropfen ausgesetzt, die mit großer Geschwindigkeit auf ihre Oberfläche auftreffen und sie im Dauerbetrieb beschädigen können.

Beispiele für solche Beanspruchungen sind in der Patentanmeldung PCT WO 03/044374 A1 aufgezählt. So werden in den Verdichter einer Gasturbine Wasser und in Wasser gelöste Reinigungsmittel wie Glykol in den Luftstrom mittels Zerstäuberdüsen eingespritzt. Die Zufuhr von Wasser dient der Kühlung und der Erhöhung der Dichte des dem Verdichter zugeführten Arbeitsfluids und damit der Erhöhung des Turbinenleistung (US 5,463,873), während die Zufuhr von Glykol/Wasser-Gemischen zur Reinigung des Verdichters vorgenommen wird (EP 0 468 024). Da die Flüssigkeitstropfen in der angesaugten Luft mitgeführt werden, sind Bauteile des Verdichters dem Aufprall der Flüssigkeitstropfen ausgesetzt.

Wegen des Ansaugens von Nebel- oder Regentropfen sind auch Bauteile von Turbinenstrahlantrieben, die in Flugzeugen oder Marinefahrzeugen betrieben werden, oder die Vorderkanten von Flugzeugtragflächen, vom Aufprall durch Tropfen auf deren Oberflächen betroffen.

Weiter unterliegen Bauteile von Kältemaschinen oder Wärmepumpen und die inneren Oberflächen der Kondensationszone von Wärmerohren oder von Destillationskolonnen der chemischen Industrie dem Aufschlag von Tropfen, die im Wasserdampf oder dem Dampf eines Kältemittels oder eines anderen Arbeitsfluids mitströmen.

Beim Aufschlag der Flüssigkeitstropfen auf die in diesen Beispielen genannten Bauteile kann Tropfenschlagerosion entstehen, wenn Masse und Auftreffgeschwindigkeit der Tropfen groß sind, zum Beispiel ab einem Tropfendurchmesser von 100 Mikrometer aufwärts und mit einer Auftreffgeschwindigkeit bis oberhalb 250 m/s. Millionenfacher Aufprall solcher Tropfen auf bestimmte Bereiche der Bauteile während der Betriebsdauer führt zu lokaler Materialermüdung und schließlich zu deren Zerstörung.

Wie in der Patentanmeldung PCT WO 03/044374 A1 erläutert, beträgt im Verdichter einer Gasturbine nach Inbetriebnahme neuer Sprühdüsen der Durchmesser der eingesprühten Tropfen etwa 10 bis 20 Mikrometer. Durch Alterung der Düsenberandungen erreichen die Tropfen jedoch bald einen Durchmesser von bis zu etwa 100 Mikrometer. Da Masse und damit Bewegungsenergie der auf den Bauteilen aufschlagenden Tropfen mit der dritten Potenz der Tropfendurchmesser anwachsen, und Erosion mit der Aufschlagenergie zunimmt, können größere Tropfen weitaus mehr Erosionsschäden verursachen als kleine Tropfen.

Weiter entsteht Tropfenschlagerosion im Verdichter oder auf Beschaufelungen und anderen Bauteilen von Dampfturbinen, falls stromaufwärts angeordnete Bauteile von Flüssigkeit beaufschlagt oder benetzt worden sind. Besonders beim Flüssigkeitsabriss an der Kante solcher Bauteile, unter Wirkung von Luft- oder Dampfströmung, können sich sekundäre, sehr große Tropfen bilden, die auf stromabwärts angeordneten Bauteilen Tropfenschlagerosion verursachen. Das gleiche gilt für Bauteile von Flugzeugen oder Marinefahrzeugen, bei denen Flüssigkeitsabriß an einer Kante zu Schädigungen stromabwärts angeordneter Bauteile führen kann, wenn diese im Dauerbetrieb von großen Tropfen getroffen werden.

Um der Tropfenschlagerosion auf Bauteilen in den oben genannten Beispielen entgegenzutreten, sind in der technisch/wissenschaftlichen Literatur einige passive Maßnahmen aufgezeigt worden. Passive Maßnahmen sind diejenigen, welche nur gegen Tropfenschlag durch heranfliegende, auftreffende große Tropfen schützen, wogegen aktive Maßnahmen, wie sie hier als Erfindung neu beschrieben werden, darauf zielen, die Bildung großer Tropfen auf stromaufwärts angeordneten Bauteilen überhaupt zu verhindern, damit auf stromabwärts angeordneten Bauteilen keine Erosion auftritt. Zum Beispiel korreliert der Widerstand gegen Tropfenschlagerosion mit der Härte eines zur Herstellung eines Bauteils verwendeten, in der Tiefe homogenen Materials. Die Verwendung von Metallen und Legierungen großer Härte und großer Zähigkeit zum Bau von Kondensatorrohren oder Beschaufelungen oder anderen Bauteile als rein passive Maßnahme zur Verhinderung von Tropfenschlagerosion war bisher jedoch nur teilweise erfolgreich. Noch immer müssen selbst aus Titan oder Titanlegierungen gefertigte Kondensatorrohre in einem Dampfkraftwerk nach vergleichsweise kurzer Betriebsdauer ersetzt werden, wenn sie an der Peripherie eines Rohrbündels des Kondensators angeordnet sind.

Eine fortschrittlichere, wenngleich immer noch passive Maßnahme, Tropfenschlagerosion auf Kondensatorrohren oder auf Bauteilen von Dampfturbinen zu verhindern, wurde in der Patentanmeldung PCT WO 03/044374 A1 vorgestellt. Das Grundkonzept beruht auf einer Beschichtung der Bauteile, die als Vielschichtanordnung aus abwechselnd harten (HV > 1500) und weniger harten Materialien (HV > 500; HV bedeutet die Vickers-Härte) mit jeweils großem Verhältnis von elastischen zu plastischem Verformungsanteil ausgebildet ist und bei welcher die oberste, zum Fluid hin gewandte Schicht hydrophobe Eigenschaften hat. Der Widerstand gegen Tropfenschlagerosion dieser Erfindung beruht auf der elastischen Verformung einer in der Tiefe inhomogenen Schichtstruktur. Der Erosionsangriff, der vom einschlagenden Tropfen ausgeht, wird abgewehrt durch Auslöschung der von ihm hervorgerufenen Kompressionswellen. Auslöschung kommt bei elastischer Verformung der Schichtstruktur durch schichtinterne Vielfachreflexion und Interferenz der Kompressionswellen zustande. In der Vielschichtanordnung wird die mechanische Belastung unter Kompressionswellen daher auf mehrere, in der Tiefe benachbarte Schichten unterschiedlicher Härte und Elastizität verteilt. Die Materialbeanspruchung ist daher geringer als in bisherigen Konzepten und die Lebensdauer der zu schützenden Bauteile deutlich größer, da die beschriebene Beschichtung flexibler zur Wandlung der kinetischen Tropfenenergie in Materialverformungsarbeit und Wärme reagiert als die zuvor verfolgten, starren, homogenen Konzepte.

Solche Vielschichtanordnungen, zum Beispiel aus amorphem Kohlenstoff durch Abscheidung aus einer Plasmaentladung, haben jedoch den Nachteil, daß ihre Abscheidung verfahrenstechnisch schwierig zu beherrschen ist, weil eine Vielzahl von Beschichtungsparametern (Druck in der Beschichtungskammer, Potentialdifferenz über das ganze Bauteil, Zusammensetzung des Arbeitsgases und Betrag des Gasdurchsatzes durch die Beschichtungskammer) je nach zu beschichtendem Material zuerst genau erprobt und dann exakt eingehalten werden müssen. Da außerdem zur Beschichtung mit amorphem Kohlenstoff die Beschichtungskammer zunächst evakuiert werden und dann mit Arbeitsdrucken von einigen Pa betrieben werden muß, sind für größere Bauteile wie Turbinenschaufeln oder Kondensatorrohre oder gar Flugzeug- oder Marinefahrzeug-Bauteile große, evakuierbare Beschichtungskammern, Vakuumpumpen- und Meßanlagen sowie über die Peripherie längs der Kammern verteilte Hochfrequenzgeneratoren erforderlich, welche hohe Investitions- und Beschichtungskosten verursachen. Ein dritter Nachteil dieser Beschichtungen liegt darin, daß amorphe Kohlenstoffschichten nur eingeschränkt hydrophobe Eigenschaften aufweisen. Für perfekt hydrophobe Eigenschaften (absolute Nichtbenetzung) müßten die Randwinkel an Wassertropfen auf ebenen Schichten 180 Grad betragen. Mit amorphen Kohlenstoffschichten können unter günstigsten Bedingungen jedoch nur Werte bis zu etwa 100 Grad erreicht werden. Randwinkel an Wassertropfen auf PTFE erreichen demgegenüber Werte bis zu etwa 115 Grad. Sie lassen sich zwar mit weniger Aufwand auftragen, haben in den oben genannten Anwendungsbeispielen jedoch nur geringe Lebensdauern.

Dennoch beruhen die in der Patentanmeldung PCT WO 03/044374 A1 genannten Vorteile der Beschichtung nicht nur auf der Ausbildung von Schichtfolgen unterschiedlicher Härte sondern auch auf Nichtbenetzung der obersten Schicht durch das jeweilige Fluid, soweit Nichtbenetzung mit großen Randwinkeln mit den genannten Werkstoffen wie amorphem Kohlenstoff erzielt werden kann.

Viel höhere Randwinkel (über 150 Grad) als mit Wassertropfen auf amorphem Kohlenstoff oder PTFE erreicht man mit Schichten, die dem Lotus-Effekt nachgebildet sind.

Der Lotuseffekt hat seinen Namen von der Eigenschaft der Lotuspflanze, sich selbst aus schlammigen Gewässern ohne jede Oberflächenkontamination zu erheben; die Lotus-Pflanze ist daher in asiatischen Religionen das Symbol für Reinheit. Nach Barthlott & Neinhuis, Planta 202 (1997), p. 2–8, hat diese Eigenschaft zwei Ursachen: a) eine Mikrostruktur der Oberfläche, bestehend aus höckerähnlichen, diskreten Erhebungen, b) epicuticulare Wachsschichten, die als dünne hydrophobe Filme die gesamte Mikrostruktur bedecken.

Die Mikrostruktur 1 der Oberfläche 2 des Lotusblatts ist in 1 schematisch verdeutlicht und durch in etwa gleich hohe Gipfel 10 und in etwa gleich tiefe und weite Täler 11 gekennzeichnet. Die Wachsschichten 12 sind als dünne Schichten angedeutet.

Im folgenden ist zwischen großen Tropfen 20, deren Durchmesser größer ist als die Weite der Täler 11, und kleineren Tropfen zu unterscheiden. Große Tropfen berühren die Oberfläche 2 des Lotusblatts nur an Kontaktflächen 13 auf den Gipfeln 10, da sie weder unter ihrer Schwere in die Täler eindringen können noch von den hydrophoben Wachsschichten, welche die gesamte Oberflächenstruktur bedecken, in die Täler hineingezogen werden können. Die Kontakt- oder Grenzfläche 13, über die ein großer Wassertropfen 20 mit den Gipfeln 10 in 1 chemisch/physikalisch Wechselwirken kann, ist daher nur mikroskopisch klein. Wenn es also auf dem Lotusblatt unter großen Tropfen überhaupt zur Benetzung kommt, dann nur auf den Grenzflächen 13, die einen verschwindend kleinen Anteil an der Gesamtoberfläche des Lotusblatts darstellen. Da die Oberflächenspannung des Wassers viel höher ist als diejenige von organischen Schichten, also auch von Wachsschichten 12, rollen die Wassertropfen 20 schon bei geringen Neigungswinkeln des Lotusblatts gegen die Horizontale ab.

Tropfen, deren Durchmesser deutlich kleiner ist als die Weite der Täler 11 könnten zwar aufgrund ihrer Schwere in die Täler eindringen. Da sie die Täler 11 jedoch nicht benetzen, ist die Wechselwirkung zwischen den Tropfen und den Tälern so klein, daß auch diese Tropfen schon bei kleinen Neigungswinkeln des Lotusblatts gegen die Horizontale abrollen.

Außerdem tendieren kleine Tropfen dazu, sich mit anderen zu größeren Tropfen zu vereinigen, um ihre Oberflächenenergie abzusenken.

Daher hängen die hydrophoben Gesamt-Eigenschaften des Lotusblatts kaum von spezifischen chemisch/physikalischen Wechselwirkungen an den Grenzflächen 13 und von den Tropfendurchmessern ab. Eine Änderung der spezifischen Wechselwirkungen und damit der lokalen Benetzungseigenschaften an den Grenzflächen 13 hätte wegen ihres geringen Flächenanteils kaum Einfluß auf die hydrophoben Gesamteigenschaften des Lotusblatts. Folglich bilden sich auf der Oberfläche des Lotusblatts keine zusammenhängenden Flüssigkeitsschichten. Ein Wassertropfen 20 von weniger als 10 Mikroliter Volumen rollt (ohne zu gleiten) von Gipfel zu Gipfel eines Lotusblatts ab, sobald das Blatt um einen Winkel von höchstens 10 Grad gegen die Horizontale geneigt wird.

Das Lotusblatt ist somit gekennzeichnet durch extreme Nichtbenetzbarkeit seiner Blattoberfläche. Daher gibt es auch keine Ablagerungen von im Fluid mitgeführten oder gelösten Stoffen auf der Oberfläche des Lotusblatts, weil sie mit den abrollenden Tropfen vom Lotusblatt entfernt werden.

Aus der Literatur sind Versuche bekannt, die Nichtbenetzbarkeit des Lotusblatts (den „Lotuseffekt") mit Beschichtungen auf technischen Oberflächen nachzubilden. Solche Beschichtungen werden zum Beispiel als schmutzabweisende Schichten auf Scheinwerfern, Bad-Armaturen, Fassaden oder Dachabdeckungen angeboten. Diese bekannten, bisher lediglich schmutzabweisenden Nachbildungen des Lotuseffekts können Tropfenschlagerosion jedoch nicht vermeiden. Im folgenden wird gezeigt, was die bisher bekannten Nachbildungen des Lotuseffekts können müßten, um nicht nur der Verschmutzung von Oberflächen sondern auch der Tropfenschlagerosion entgegenzutreten.

Tropfenschlagerosion entsteht, wenn wie erläutert große Tropfen mit hohen Geschwindigkeiten auf die Oberflächen von Bauteilen auftreffen. Zur Verhinderung von Tropfenschlagerosion muß daher versucht werden, das Auftreffen von großen Tropfen auf die Bauteile zu vermeiden. Also wird man Maßnahmen ergreifen müssen, welche die Bildung von großen Tropfen überhaupt verhindert. Eine solche Maßnahme besteht darin, die Agglomeration von primär kleinen Tropfen, die auf stromaufwärts gelagerten Bauteilen in den oben beschriebenen Anwendungen kondensiert sind oder dort mit einer Strömung auftreffen, zu großen Tropfen auszuschließen. Aktive Verhinderung von Tropfenschlagerosion besteht demnach darin, Oberflächen zu entwickeln, auf denen Tropfen abrollen, ohne anderen Tropfen zu begegnen oder sie einzuholen, um Agglomeration mit diesen entgegenzutreten. Dies können die bisher bekannten Nachbildungen des Lotuseffekts jedoch nicht leisten.

Nachbildungen des Lotuseffekts sind versucht worden z. B. durch Aufrauhen einer blanken metallischen Oberfläche und anschließende Beschichtung dieser Oberfläche mit einem Polymer oder durch Aufsprühen von Polymeren auf eine blanke Oberfläche. Bei sehr grober Betrachtung (2) besteht die Oberfläche 1 solcher Nachbildungen 2 des Lotuseffekts auf Bauteilen 3 wie beim natürlichen Lotusblatt aus Gipfeln 10 und Tälern 11, die wie dort mit einer hydrophoben dünnen Schicht 12 überzogen sind. Tatsächlich sind die erzielten Oberflächen, insbesondere nach Aufrauhen, jedoch sehr stark zerklüftet, die Höhen der Gipfel stark unterschiedlich, ebenso die Weiten der Täler zwischen den Gipfeln (3: grob mechanisch, z. B. mit Sandstrahlen, aufgerauhte metallische Oberfläche; das Bild zeigt einen Oberflächenausschnitt von 120 Mikrometer × 80 Mikrometer). Auch ist der Abstand der Gipfel untereinander im Mittel viel größer als beim natürlichen Lotusblatt und insbesondere größer als die Höhe der Gipfel.

Zur weiteren Beschreibung der Nachbildungen des Lotuseffekts wird dennoch im folgenden 2 als grobes Schema zugrunde gelegt. Zunächst werden Wassertropfen 20, deren Durchmesser in 2 größer ist als der Abstand der Gipfel 10 untereinander, auf diesen Nachbildungen wie beim natürlichen Lotusblatt aufgrund der Nichtbenetzbarkeit der Täler 11 eher abrollen als in diese Täler hineingezogen. Bei technischen Anwendungen wie etwa Bauteilen in Dampfkondensatoren oder Dampfturbinen sind jedoch auch Dampfströmung und die Strömung kleiner Tropfen zu beachten. Das oben genannte geometrisch (oberflächenmorphologisch) bedingte Hindernis gegen Eindringen von Tropfen in die Täler 11 besteht für Dampf nämlich nicht.

Dampf 21 in 2 kann in die Täler 11 eindringen und kondensieren, wenn der Taupunkt dort unterschritten wird. Wird eine solche Nachbildung 2 des Lotuseffekts einem Dampfstrom 21 ausgesetzt, füllen sich bei Temperaturen unter dem Taupunkt die Täler 11 mit Kondensat, zuerst als wenige Moleküllagen dicke, lokal adsorbierte Flüssigkeitsschichten, die unter laufend zugeführtem Dampf weiter anwachsen und sich schließlich als eine zusammenhängende Flüssigkeitsschicht 22a ausbilden (in 2 angedeutet durch durchgezogene dünne Linien).

Diese kondensierten Schichten weisen ein bestimmtes Flüssigkeitsvolumen auf. Sobald die Oberflächenenergie eines sphärischen Tropfens, der aus diesem Flüssigkeitsvolumen gebildet werden kann, kleiner ist als die Adhäsionsenergie der adsorbierten Kondensatschichten, zieht sich dieses Flüssigkeitsvolumen in einen kleinen Tropfen 22b zusammen. Wird weiterhin Dampf zugeführt, setzt sich dieser Prozeß fort, und die Tropfen 22b wachsen immer mehr an, solange die Temperatur der Flüssigkeitsoberflächen niedriger ist als der Taupunkt, bis sie endlich bis zur Höhe der Gipfel 10 als Tropfen 22c einen großen Teil des Volumens der Täler 11 ausfüllen.

Tropfen 22b und 22c in den Tälern 11 in 2 bilden sich auch, wenn auf die Oberfläche 1 gerichtete Dampf- oder Gasströme mit kleinen primären Flüssigkeitstropfen 23 beladen sind und diese mit sich in die Täler hineinführen. In diesem Fall bedarf es noch nicht einmal der Kondensation, die mitgeführten primären Flüssigkeitstropfen 23 müssen nur kleiner sein als charakteristische Weiten und Tiefen der Täler 11, damit sie in die Täler eindringen können. Da die Oberflächenenergie abnimmt, sobald sich kleine sphärische Tropfen zu größeren sphärischen Tropfen vereinigen, bilden sich aus den primären Tropfen 23 in den Tälern 11 wiederum Tropfen, etwa der Größe der Tropfen 22b. Wie bei Kondensation wachsen die Tropfen 22b zu Tropfen 22c heran, die einen großen Teil des Volumens der Täler 11 bis zur Höhe der Gipfel 10 auffüllen, wenn weiterhin primäre Tropfen 23 durch die Strömung zugeführt werden.

Die entstehenden, aus Kondensat- oder primären Fluidtropfen gebildeten Tropfen 22c verharren in den Tälern 11, da die Täler 11 so weit sind, daß zumindest diese Tropfen unter ihrer Schwere durch die Flanken der Täler nicht oder kaum deformiert werden können. Erst wenn die Deformationsenergie der Tropfen gegenüber sphärischem Volumen größer ist als die mechanische Hubenergie, die erforderlich ist, um die Tropfen 22c aus den Tälern 11 auf die Höhe der Gipfel 10 zu heben, könnten die Tropfen 22c die Täler 11 verlassen. Deformation der Tropfen 22c in den Tälern 11 gegenüber sphärischem Volumen ist aber erst dann möglich, wenn die Tropfen nach und nach so weit herangewachsen sind, daß einzelne Tropfen 22d die Täler 11 ganz ausfüllen. Ihr Durchmesser ist dann in etwa so groß wie die lichte Weite der Täler zwischen den Gipfeln 10.

Dann ist bei den bisherigen Nachbildungen des Lotuseffekts der Durchmesser der Tropfen 22d jedoch größer als die Höhe H der Gipfel 10. Also können die Tropfen 22d von abwärts abrollenden Tropfen oder von weiteren herangeführten primären Tropfen 23 selbst benetzt werden. Sind also die Täler erst 11 einmal mit solchen großen Tropfen 22d aufgefüllt, ist fast die gesamte Oberfläche der bisherigen Nachbildungen des Lotuseffekts von Flüssigkeit bedeckt, welche durch weiter herangeführte Tropfen 23 oder durch abwärts rollende Tropfen benetzt wird. Dies bedeutet, daß die Oberfläche 1 in 2 ihre Nichtbenetzbarkeit verloren hat und der Lotuseffekt damit zerstört ist; denn abrollende oder weiterhin in der Strömung zugeführte Tropfen „kleben” an den aufgefüllten Tälern, und selbst unter großen Neigungswinkeln der Oberfläche des Bauteils 3 werden die großen Tropfen 22d weder spontan abgleiten oder gar abrollen sondern sich zuerst unter ihrer Schwere zu „Tränen" verformen, ehe sie endlich von den Tälern abreißen. Solche großen Tropfen 22d gleiten dann über die Oberfläche der Nachbildungen, und da sie wegen ihres „Klebens" an aufgefüllten Tälern unterschiedlicher Morphologie jeweils kurzzeitig haften, weist die Gleitgeschwindigkeit unterschiedliche Beträge und Richtungen auf, so daß einzelne große Tropfen 22d andere Tropfen einholen und sich mit ihnen vereinigen können. Vereinigung findet insbesondere an der Kante eines Bauteils statt, das mit einer solchen Nachbildung beschichtet ist, wenn deren Täler mit Flüssigkeit aufgefüllt sind.

Wenngleich die bisher berichteten technischen Nachbildungen des Lotuseffekts immerhin Nichtbenetzung gegenüber großen Tropfen wie z. B. Regentropfen aufweisen und diese Tropfen bei kleinen Neigungswinkeln abrollen und Schmutzablagerungen verhindern, unter Kondensation oder unter Gas- und Dampfströmung, die primäre Flüssigkeitstropfen mit sich führt, findet jedoch ein Auffüllen der Täler mit Flüssigkeit statt, in dessen Folge die Nichtbenetzbarkeit der Oberfläche völlig verloren geht und unter Abgleiten von Tropfen Agglomeration zu großen Tropfen stattfindet.

Tropfen, die an der Kante eines so beschichteten Bauteils eintreffen, haben dann einen viel größeren Durchmesser als mit der Strömung zugeführte primäre Flüssigkeitstropfen. Dadurch sowie nach Flüssigkeitsabriß unter der Gas- oder Dampfströmung auf der Oberfläche oder von der Kante von derart beschichteten Bauteilen kann an stromabwärts angeordneten Bauteilen Tropfenschlagerosion entstehen.

Da die bekannt gewordenen Nachbildungen des Lotuseffekts auch nicht über die in der Patentanmeldung PCT WO 03/044374 A1 beschriebenen Vielfachschichten verfügen, kann Tropfenschlagerosion in Turbinen, Kondensatoren, Wärmerohren oder Flugzeug- oder Marinefahrzeug-Bauteilen oder in anderen oben genannten Anwendungen mit ihnen weder passiv vermieden noch aktiv (d. h. schon vor Entstehen großer Tropfenagglomerate) bekämpft werden. Eine erfolgreiche Übertragung des Lotuseffekts in die Energie- oder Transporttechnik mittels der bisher bekannt gewordenen, lediglich schmutzabweisenden Nachbildungen des Lotuseffekts ist daher bislang nicht berichtet geworden. Um der Tropfenschlagerosion in den oben genannten Beispielen der Energie- und Transporttechnik entgegenzutreten, bedarf es einer grundlegenden, erfinderischen Umgestaltung der Oberflächenmorphologie, der Oberflächenchemie und der inneren Wärmetransportstruktur der bisherigen Nachbildungen des Lotuseffekts. Diese mehrdimensionale Umgestaltung, als aktive Maßnahme zur Verhinderung der Bildung von Tropfenagglomeraten in den oben genannten Anwendungen der Energie- und Transporttechnik, ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung.

Zwar scheint die DE 196 44 692 A1 einen Hinweis zu geben, wie das Auffüllen der Täler in der Oberflächenstruktur durch Kondensat oder Tropfen vermieden werden kann, obwohl in dieser Patentanmeldung PCT WO 03/044374 A1 die Zielsetzung lediglich lautete, die Wärmeübertragung in Dampfkondensatoren zu verbessern. Dort wurde aufgezeigt, die Täler einer aufgerauhten Oberfläche der Bauteile mit amorphem Kohlenstoff zu füllen und gemäß dem dortigen Anspruch 7 anschließend mechanisch zu glätten. Nach Glättung weist die Beschichtung wie beim natürlichen Lotusblatt nebeneinander liegende benetzbare und nicht-benetzbare, mikroskopische Oberflächenbereiche auf. Die in der DE 196 44 692 A1 beschriebene Beschichtung wirkt daher wie eine „flache Lotusschicht", insbesondere wenn sie, wie das natürliche Lotusblatt, nur sehr kleine benetzbare Oberflächenanteile (entsprechend den „Gipfeln" in 1) aufweist. Ein Eindringen von Dampf oder von tropfenbeladener Gas- oder Dampfströmung in Täler, wie die Täler 11 in 1 oder 2, mit Auffüllung und schließlicher Ausbildung von zusammenhängenden Flüssigkeitsschichten, sobald die Täler gefüllt sind, kann hier, im Gegensatz zu den bisherigen Nachbildungen der Lotusschichten, nicht stattfinden, da es gar keine Täler gibt.

Die nach Glättung ebene Schicht der DE 196 44 692 A1 erreicht jedoch nicht die Nichtbenetzung des natürlichen Lotusblatts. Zum einen können auf dem amorphen Kohlenstoff, mit dem die Täler der Oberflächenstruktur aufgefüllt werden, nur Randwinkel von weniger als 100 Grad erzielt werden. Sobald Dampf kondensiert oder Flüssigkeitstropfen mit der Gas- oder Dampfströmung zugeführt werden, ziehen sich zum andern Kondensat bzw. Flüssigkeitstropfen in den nicht-benetzbaren Anteilen der insgesamt ebenen Oberfläche auf sphärische Tropfenform zusammen. Je nach Neigung der Oberfläche gleiten die Tropfen dort ab. Abrollen ist wegen der Randwinkel unter 100 Grad nicht zu erwarten. Die benetzbaren Anteile der Oberfläche in der Erfindung DE 196 44 692 A1 wirken nun gegenüber dem Abgleiten der Tropfen als punktförmige Hindernisse, weil sich die Tropfen dort durch Benetzung festhalten können, dies um so besser, je größer dimensioniert diese benetzbaren Oberflächenanteile sind, weil die Benetzungskraft proportional zur Länge der Menisken, die sich ausbilden können, wächst. Dieser zweite Nachteil der nach Erfindung DE 196 44 692 A1 gebildeten Oberflächen zeigt sich, wenn diese ohne weitere Verbesserung zur Vermeidung von Tropfenschlagerosion herangezogen würden. Er beruht also darauf, daß laterale Inhomogenitäten bezüglich Benetzungsverhalten und deren Dimensionen das Abgleiten von Tropfen hemmen. Kleine Primärtropfen, die an den benetzbaren Oberflächenanteilen hängen bleiben, können nämlich von nachfolgenden Tropfen eingeholt werden und sich mit ihnen zu größeren Sekundär-Tropfen vereinigen, bis sie schließlich von Gas- oder Dampfströmen zu den Kanten der Bauteile geführt und dort unter Strömungsabriß als große Tropfen abgerissen werden.

Durch die in der DE 196 44 692 A1 beschriebene Glättung geht eine der beiden eingangs aufgezählten Voraussetzungen für den Lotuseffekt (nämlich die Gipfel- und Täterstruktur mit ihren winzigen Grenzflächen 13 zwischen den Gipfeln 10 und Tropfen 20 in 1) grundsätzlich verloren. Hydrophobie und verbesserte Wärmeübertragung bei Kondensation auf der ganzen, ebenen Oberfläche beruht in der DE 196 44 692 A1 ausschließlich auf unterschiedlichen chemisch/physikalischen Grenzflächeneigenschaften, der Verteilung der benetzbaren und nicht-benetzbaren Oberflächenbereiche und, wie dort ausgeführt, einer vergrößerten inneren Festkörper-/Festkörper-Kontaktfläche zwischen Substrat und Beschichtung. Da die Flüssigkeits-/Festkörper-Grenzflächen zwischen einer nach DE 196 44 692 A1 hergestellten Oberfläche und Flüssigkeitstropfen wegen der ebenen Oberflächenstruktur viel größer ist als beim natürlichen Lotusblatt, hängt Hydrophobie solcher Oberflächen stärker von den chemisch/physikalischen Oberflächeneigenschaften im Bereich dieser Grenzflächen ab als beim natürlichen Lotusblatt.

Zusammenfassend können erstens die in der Patentanmeldung PCT WO 03/044374 A1 vorgeschlagenen Vielschichtanordnungen zur Verhinderung von Tropfenschlagerosion nur als passive Maßnahmen bezeichnet werden, weil sie nur Symptome als Folge des Einschlags von Tropfen bekämpfen. Zweitens gewähren die in der DE 196 44 692 A1 beschriebenen Beschichtungen wie erläutert keinen besseren Schutz gegenüber Tropfenschlagerosion als homogene Beschichtungen oder Oberflächen.

Die vorliegende Erfindung ersetzt drittens die bisher lediglich zur Vermeidung von Oberflächenverunreinigungen entwickelten Nachbildungen des Lotuseffekts, die für Beschichtungen auf stromeingangs oder stromabwärts angeordneten Bauteilen zur Vermeidung von Tropfenschlagerosion generell nicht geeignet sind.

Gegenüber dem Stand der Technik führt die vorliegende Erfindung eine aktive Maßnahme ein, Tropfenschlagerosion zu verhindern, in dem auf stromeingangs angeordneten Bauteilen in den obigen Beispielen eine neue Beschichtung vorgenommen wird, welche die Bildung großer Tropfen und somit deren Aufprall auf stromabwärts angeordneten Bauteilen verhindert. Die stromabwärts angeordneten Bauteile können allerdings wie in der Patentanmeldung PCT WO 03/044374 A1 beschrieben, gegen den Einschlag kleiner Tropfen geschützt werden, indem dort (passiv) der Tropfenschlagerosion mit der elastisch reagierenden Schichtfolge und ihren Interferenzeffekten entgegengetreten wird.

Diese Aufgabe wird gemäß dem Hauptanspruch der vorliegenden Erfindung gelöst. Die Erfindung beruht auf einer Kombination von Kapillardepression und stark unterschiedlichen Wärmewiderständen von Gipfeln und Tälern der beschichteten Oberfläche. Weitere besondere und bevorzugte Lösungen werden in den Unteransprüchen angegeben.

Beschreibung der Erfindung

Eine solche, aktiv auf Vermeidung der Bildung von Tropfenagglomeraten und damit von Tropfenschlagerosion auf stromabwärts angeordneten Bauteilen gerichtete Beschichtung ist in 4 und 5 schematisch dargestellt.

Die Beschichtung 1 wird in 4 auf der Oberfläche 2 eines Bauteils 4 aufgetragen. Oberfläche 2 und seine Beschichtung 1 seien gegen die Horizontale geneigt (in 4 nicht dargestellt). Das Bauteil 4 habe in seinem Innern eine beliebige Temperatur T1.

Die Beschichtung 1 erzeugt auf der Oberfläche 2 des Bauteils 4 eine gleichmäßige mikroskopische Oberflächenstruktur mit Gipfeln 10 und Tälern 11. Die Flanken 12 der Gipfel 10 können gerade oder wie in 4 angedeutet, gekrümmt sein; sie sollten im oberen Gipfelbereich so aufeinander zulaufen, daß dort eine Gipfelfläche 13 oder (nicht dargestellt) eine Gipfelspitze gebildet wird. Die Gipfelflächen 13 sind in 4 lediglich durch dicke kurze Kurvenzüge angedeutet; auf Einzelheiten der Darstellung ist verzichtet.

Die Gipfel 10 in 4 bestehen aus einem Metall oder aus Legierungen, beide mit sehr hoher Wärmeleitfähigkeit. Die Gipfelflächen 13 oder Gipfelspitzen und die oberen Partien 14 der Gipfelflanken 12 werden mit einer dünnen nichtbenetzbaren Schicht 15 überzogen.

Die Täler 11 werden mit einem Werkstoff 40, der eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit hat und ebenfalls nicht benetzbar ist, bis fast an die Höhe der Gipfel 10 heran aufgefüllt. Weiter hat der Werkstoff 40 eine Grenzflächenspannung, die kleiner ist als die Oberflächenspannung eines Kondensats oder von Tropfen, die in der Strömung eines Gases oder Dampfes mitgeführt werden.

Die Erfindung wird beschrieben unter der Annahme, die auf die Oberfläche 3 der Beschichtung 1 auftreffende Strömung habe eine Temperatur T2 > T1. Je nach relativer Feuchte des einströmenden Fluids kann Kondensation an der Oberfläche 3 der Beschichtung 1 auftreten, wenn dort der Taupunkt T0 unterschritten wird. Wenn die Bedingung T2 > T1 nicht erfüllt ist, kann keine Kondensation stattfinden; in diesem Fall ist die Beschichtung 1 nur hinsichtlich Auftreffen von Primärtropfen auf die Oberfläche 3 zu diskutieren, die in der Strömung mitgeführt werden (s. u.).

Wegen T2 > T1, führt die hohe Wärmeleitfähigkeit der Gipfel 10 dazu, daß an deren Gipfelflächen 13 oder Gipfelspitzen und an den oberen Partien 14 der Gipfelflanken 12 eine Temperatur T3 herrscht, die niedriger ist als die Temperatur T4 über dem Werkstoff 40 in den Tälern 11. Dazu müssen die von oben gesehenen Querschnitte der Gipfel 10, sowie ihre Gipfelgesamthöhe H und die Dicke der Schicht 15 so dimensioniert werden, daß sie in vertikaler Richtung einen nur kleinen Wärmewiderstand R1 erzeugen. Andererseits müssen die Täler mit dem Werkstoff 40 soweit aufgefüllt werden und dessen Wärmeleitfähigkeit so klein sein, daß der Werkstoff 40 in den Tälern 11 einen in vertikaler Richtung hohen thermischen Widerstand R2 > R1 erzeugt. Der Gesamt-Wärmewiderstand zwischen dem einströmenden Fluid über den Gipfeln 10 und der Oberfläche 2 des Bauteils 4 ist somit ebenfalls kleiner als der Gesamt-Wärmewiderstand zwischen dem einströmenden Fluid über den Tälern 11 und der Oberfläche 2 des Bauteils 4, beide Widerstände in senkrechter Richtung gezählt. Dadurch ist die Temperatur T3 der Gipfel 10 niedriger als die Temperatur T4 der Täler 11 über dem Werkstoff 40, wenn die Temperatur der Oberfläche 2 des Bauteils 4 unter Gipfeln 10 und Tälern 11 überhaupt und gleichmäßig niedriger ist als die Temperatur T2 des Fluids).

Je nach Temperatur und Feuchte der Atmosphäre, die an die Oberfläche 3 der Beschichtung 1 grenzt oder nach Temperatur und Feuchte des auf die Oberfläche 3 strömenden Gases oder Dampfes kann unter diesen Bedingungen die Temperatur T3 unter dem Taupunkt T0 liegen, die Temperatur T4 dagegen nicht. Liegt nur die Temperatur T3 unter dem Taupunkt T0, kann Dampf nur auf den Gipfelflächen 13 oder Gipfelspitzen bzw. den Beschichtungen 15 der Gipfelflächen 13 oder Gipfelspitzen und an den oberen, ebenfalls beschichteten Partien 14 der Gipfelflanken 12 kondensieren, jedoch nicht in den Tälern 11. Der Fall, daß beide Temperaturen T3 und T4 unter dem Taupunkt T0 liegen, wird später beschrieben.

Kondensat, wie z. B. Wasser, das sich z. B. auf dem Gipfel G0 in 4 oder den oberen Partien 14 der Gipfelflanken dieses Gipfels bildet, zieht sich wegen seiner hohen Oberflächenspannung (im Vergleich zur viel niedrigern Grenzflächenspannung der Beschichtung 15) auf der Gipfelfläche 13 oder der Gipfelspitze unter dauernder Zufuhr von Dampf schließlich zu einem Tropfen 20 zusammen (das allmähliche Anwachsen von kondensierenden Schichten, in 4 mit 30a bezeichnet, zu großen Tropfen wurde anhand von 2 bereits beschrieben). Ohne dort zu verweilen rollt der Tropfen 20 entweder wegen der Neigung (nicht dargestellt in 4) der Oberfläche 3 vom Gipfel G0 oder unter der hangabwärts gerichteten Komponente der Gas- oder Dampfströmung zu benachbarten hangabwärts gelegenen Gipfeln G1, G2 usw. bis an die Kante K des Bauteils 4 ab. Da die Oberfläche 3 der Beschichtung 1 über dem Bauteil 4 nach Voraussetzung gleichmäßige Eigenschaften hat, können von höher als G0 gelegenen Gipfeln G–1, G–2 usw. abrollende Tropfen 21 den Tropfen 20 nicht einholen und sich mit ihm zu größeren Sekundär-Tropfen (Agglomeraten) vereinigen, bevor sie die Kante K erreichen, da alle Tropfen 20 und 21 bei gleichmäßiger Morphologie der Oberfläche 3 mit gleicher Geschwindigkeit abrollen.

Sobald die Tropfen 20 oder 21 an der Kante K eintreffen, werden sie unverzüglich (wegen Nichtbenetzung) und einzeln (da sie nacheinander eintreffen) von der Strömung abgerissen. Die Tropfen 21 können die Tropfen 20 daher auch an der Kante K nicht einholen und Agglomerate mit größerem Sekundär-Tropfendurchmesser bilden.

Tropfen 20 oder 21, die von der Oberfläche 3 oder von der Kante K abgerissen werden, treffen auf stromabwärts angeordneten Bauteilen (nicht dargestellt in 4) daher nur mit dem jeweiligen Primär-Tropfendurchmesser auf, der sich beim Abrollen von den jeweiligen Gipfeln bis zur Kante K weder vergrößert (weil er keine anderen Tropfen einholte) noch verkleinert hat (weil keine Benetzung der Oberfläche 3 stattfand).

Wenn Kondensation auch in den unteren Partien der Gipfelflanken 12 oder über dem Werkstoff 40 in den Tälern 11 auftritt, muß verhindert werden, daß die primär entstehenden Kondensatschichten 30a durch die Tropfen 20 oder 21 berührt und benetzt werden. Dazu werden die Täler 11 mit dem Werkstoff 40 nur soweit aufgefüllt, daß die untere Peripherie der Tropfen 20 oder 21 in 4 den Werkstoff 40 und die darauf liegenden Kondensatschichten 30a in den Tälern noch nicht berührt. Durch das Auffüllen der Täler mit dem Werkstoff 40 entsteht auf dem Bauteil 1 somit keine ebene Gesamtoberfläche, vielmehr bleibt die Gipfel-/Täterstruktur der Oberfläche 3 der Beschichtung 1 erhalten, wenngleich mit kleinerer Variation ihrer Höhendifferenz.

Die weitere Erläuterung der Erfindung, insbesondere für den Fall etwaiger der Kondensatbildung auch in den Tälern 11, erfolgt anhand der schematischen Darstellung eines Tal-Querschnitts in 5.

Da die Täler 11 mit einem nichtbenetzbaren Werksstoff 40 bedeckt sind, ziehen sich die zuerst nur einige Molekül-Lagen dicken, aber schnell anwachsenden Kondensatschichten 30a in den Tälern zu Tropfen 30b zusammen, deren Durchmesser laufend zunimmt, da ihre Volumina aus den Kondensatschichten bzw. durch Kondensation auf den Tropfen-Peripherien gespeist werden. Aus den Tropfen 30b bilden sich unter diesem Wachstum die größeren Tropfen 30c. Die Tropfen 30b und 30c bilden in den Tälern 11 sphärische Volumina aus, da sphärische Tropfen bei konstantem Volumen die kleinste Oberflächenenergie haben. Sobald der Durchmesser der Tropfen 30c unter weiterem Wachstum jedoch größer ist als die mittlere lichte Weite W („Halbwertsweite") der Täler 11 oberhalb des Werkstoffs 40, können sie wegen ihrer Schwere ihre sphärische Form nicht beibehalten sondern werden in nicht-sphärische Tropfen 30d (näherungsweise Ellipsoide) deformiert. Jede Deformation gegenüber einem sphärischen Volumen erhöht bei konstantem Volumen die Oberflächenenergie des Tropfens. Diese Erhöhung der Oberflächenenerie kann als Deformationsenergie bezeichnet werden. Ist die Deformationsenergie größer als die mechanische Hubenergie, die erforderlich ist, die Tropfen 30d aus den Tälern 11 herauszuheben, werden die Tropfen 30d demgemäß die Täler 11 verlassen, auf der Höhe der Gipfelflächen 13 unter weiterem Wachstum wegen ihrer hohen Oberflächenspannung wieder sphärische Gestalt 30e annehmen und wie beim natürlichen Lotusblatt sich auf den Gipfelflächen 13 abstützend unter der Neigung (nicht dargestellt in 5) der Oberfläche 3 des Bauteils in Richtung auf die Kante K (in 4) abrollen. Wenn die Strömung auf die Kante K gerichtet ist, werden die Tropfen 30e zusätzlich von der Strömung beschleunigt.

Bevor die Tropfen 30d die Täler verlassen, können sie jedoch von bereits heranrollenden Tropfen 20 oder 21 (4) gestoßen werden, da die große Halbachse der in etwa als Ellipsoide zu betrachtenden, deformierten Tropfen 30d inzwischen länger ist als die Höhendifferenz H'' (5) zwischen der Höhe H der Gipfelflächen 13 und der Höhe H', bis zu welcher der Werkstoff 40 in den Tälern 11 aufgefüllt ist. Gestoßene Tropfen 30d vereinigen sich dabei durch Selbstbenetzung mit den stoßenden Tropfen 20 oder 21. Dadurch entstehen nicht-sphärische Sekundärtropfen mit noch größerem Volumen, die entsprechend erhöhte Deformationsenergie haben und daher die Täler augenblicklich verlassen und abrollen. Werden auch Tropfen 30e von Tropfen 20 oder 21 gestoßen, entstehen noch größere sphärische Sekundärtropfen, die unter der Neigung der Oberfläche oder unter der Strömung ebenfalls augenblicklich abrollen.

Deformation gegenüber dem sphärischen Volumen tritt um so eher ein, je enger die Täler 11 ausgeführt sind. Die Tropfen 30d werden demnach die Täler um so eher verlassen, je kleiner die mittlere lichte Weite W (5) ist zwischen den Gipfeln 10, die mit dünnen Schichten 15 bedeckt sind. Bei den bisher bekannten Nachbildungen des Lotuseffekts als schmutzabweisende Schichten sind, wie oben beschrieben, die dort ausgebildeten Oberflächenstrukturen viel zu weitgestreckt und zu unregelmäßig, um diesen Effekt zu erzielen.

Wenn in dem Gas- oder Dampfstrom kleine primäre Flüssigkeitstropfen mitgeführt werden, die auf die Täler 11 auftreffen, gelten die gleichen Überlegungen. Nachdem sich die primären Flüssigkeitstropfen in den Tälern 11 oberhalb des Werkstoffs 40 wegen Nichtbenetzbarkeit wiederum zu größeren, schließlich deformierten Tropfen 30d (5) vereinigt haben, verlassen diese Tropfen die Täler, sobald ihre Deformationsenergie größer ist als die mechanische Hubenergie, die erforderlich ist, diese Tropfen aus den Tälern herauszuheben.

Zusammenfassend beruhen die Unterschiede der hier beschriebenen erfindungsgemäßen Oberflächen zu den bisher bekannten Nachbildungen des Lotuseffekts demnach auf

  • • Kapillardepression, indem in die Täler 11 in 4 und 5 eingedrungene Flüssigkeit aus den Tälern herausgehoben wird, dadurch daß die Weite W der Täler 11 erfindungsgemäß viel geringer ist als bei den bisherigen Nachbildungen, die eine weitgestreckte und stark zerklüftete, höchst unregelmäßige Gipfel-/Täler-Morphologie aufweisen,
  • • stark unterschiedlichen Wärmewiderständen zwischen dem einströmenden Fluid über den Gipfeln 10 bzw. Tälern 11 und der Oberfläche 2 des Bauteils 4 in 4, beide Widerstände in senkrechter Richtung gezählt, welche Kondensation auf dem Boden der Täler 11 überhaupt vermeidet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung

Das folgende Ausführungsbeispiel wird anhand von 4 und 5 schematisch beschrieben. Die Gipfelgesamthöhe H der Gipfel 10 über dem Boden 17 der Täler 11 beträgt zwischen 800 und 1000 Mikrometer, der mittlere lichte Abstand W zwischen den Gipfeln 10 oberhalb des Werkstoffs 40 zwischen 100 und 500 Mikrometer, und der von oben gesehene, über die Gipfelhöhe gemittelte Querschnitt eines Gipfels soll zwischen 4·10–10 und 10–6 m2 liegen.

Die Gipfel 10 bestehen aus Metall oder aus Legierungen, die eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 200 W/(m·K) haben. Der nichtbenetzbare Überzug 15 der Gipfelflächen 13 und Gipfelspitzen und der oberen Partien 14 der Gipfelflanken 12 hat eine Dicke zwischen 5 und 20 Mikrometer.

Der Werkstoff 40, mit dem die Täler 11 aufgefüllt werden, hat eine Wärmeleitfähigkeit von nur etwa 1 W/(m·K). Weiter hat der Werkstoff 40eine Grenzflächenspannung von 20 mN/m. Die Täler 11 werden mit dem Werkstoff 40 bis zu einer Höhe H' von maximal 99% der Gipfelgesamthöhe H aufgefüllt.

In 6a ist eine Verteilung der Gipfel 10 und Täler 11 der Beschichtung (nach 4 oder 5) unter der Annahme von in der Draufsicht kreisförmigen Gipfeln 10 als quadratisch angeordnetes Muster dargestellt. Die Gipfel 10 sind punktiert. K bezeichnet die Kante eines beschichteten Bauteils. In einem anderen Ausführungsbeispiel (schematisch, 6b) werden die Gipfel 10 als Stege 18 (wiederum punktiert dargestellt) und die Täler 11 als Rillen 19 in der Beschichtung 1 ausgeführt. Höhe der Gipfel, Weite der Täler, Eigenschaften der Werkstoffe sind die gleichen wie im ersten Ausführungsbeispiel. Die Stege und Rillen werden vorteilhaft gegen die Richtung einer einfallenden Gas- oder Dampfströmung (nicht dargestellt) orientiert.

In beiden Ausführungsbeispielen kann die Beschichtung 1 mittels konventioneller Oberflächenstrukturierungs- und Beschichtungsmethoden im Labor oder in industriellem Maßstab in drei Arbeitsschritten hergestellt werden.

Zur Herstellung der Gipfel bzw. Täler im ersten Arbeitsschritt eignen sich z. B. mechanische Strukturierung, Pressen, Walzen mit geeigneten Preß- und Walz-Werkzeugen, galvanische Abscheidungen, Eloxierung von Al mit Einlagerung von hochwärmeleitenden Werkstoffen, Siebdruck, Laserstrukturierung oder Abscheidungen aus der Gasphase, gegebenenfalls unter Masken. Als Gipfelmaterialien eignen sich z. B. Aluminium oder Kupfer.

Im zweiten Arbeitsschritt werden zumindest die Gipfel und die gipfelnahen Flanken durch einen Dünnschichtprozeß mit einem in der Feuchte beständigen Werkstoff beschichtet, der nicht oder höchstens schlecht benetzbar ist (gegebenenfalls kann auch die gesamte Oberfläche 3, d. h. auch die Täler, mit der dünnen nichtbenetzbaren Schicht bedeckt werden, ehe im dritten Arbeitsgang die Täler mit dem Werkstoff 40 aufgefüllt werden, s. u.). Hierfür eignen sich z. B. durch Tauchen aufgetragene feuchtebeständige Co-Polymere.

Im dritten Arbeitsschritt, in dem die Täler bis fast zur Gipfelgesamthöhe mit einem nichtbenetzbaren Werkstoff 40 aufgefüllt werden, können in der Feuchte beständige, nichtleitende Werkstoffe durch Tauchbeschichtung oder Aufschleudern, eventuell unter Masken, oder auch durch Ablation aus einem Target unter Beschuß geeigneter Partikelstrahlung oder durch Verdampfen aufgetragen werden. Ein geeignetes Material ist z. B. Guttapercha, das sonst zur Isolierung unterirdischer und submariner elektrischer Kabel eingesetzt wird und unlöslich in Wasser, Alkohol, Äther, fetten Ölen und gegen die meisten Säuren und gegen Alkalien und bei Luft- und Lichtabschluß selbst gegen Seewasser sehr widerstandsfähig ist.