热交换装置和催化处理大气的方法

专利名称：热交换装置和催化处理大气的方法
技术领域：
本发明涉及一种低温清除大气的方法，更确切地说，涉及热交换器，比如机动车的散热器的外表面的涂层，它能够催化转化污染物为无害化合物，而没有对热交换器的不利影响。
对有关污染控制的文献的综述说明常用的方法是通过反应来清除进入环境的废气。如果探测到或正在排放的一种或另一种污染物的量太大，就应关注该污染物的来源。对于绝大部分废气，在其进入大气之前进行处理以减少污染物。
处理排到一个受约束的空间中的大气以除去其中不希望的组分已有报道。然而，尚无多少努力来处理已经存在于环境中的污染物；环境已被留给它自身的净化系统。
有文献公开了积极净化环境的方法。专利号为3,738,088的美国专利公开了一种空气净化装置，它采用运载工具作为移动净化装置，用于清除周围空气中的污染物。已有大量的配件能够与运载工具配合使用，以便当该运载工具在环境中行驶时净化周围空气。特别是，有一种被公开的管道用于控制空气流速并使空气直接通过各种过滤装置。该过滤装置可包括过滤器和电子沉降器。催化的后过滤器可用于处理非颗粒的或气溶胶污染物，比如一氧化碳、未燃烧的烃类化合物、氧化氮或氧化硫等等。
专利号为5,147,429的美国专利中公开了另一种方法。即流动空中飘浮物空气净化站。这一专利特别以一个收集空气的飞艇为特征。该飞艇包括许多不同类型的空气净化装置。已公开的这种空气净化装置包括湿法除尘器、过滤器、和旋风喷雾除尘器。
使用已公开的装置净化空气的困难是它们需要新的额外的设备。即使专利号为3,738,088的美国专利所公开的改进的运载工具也需要管道和包括催化过滤器的过滤器。
作为对处理大气装置有关的困难的回应，本申请人在于1995年3月24日提交的美国专利申请系列号08/410,445、于1996年1月19日提交的美国专利申请系列号08/589,182、和于1996年1月有9日提交的美国专利申请系列号08/589,030(每个都作为本发明的参考文献)中公开了有关采用移动运载工具处理大气的方法中的装置。在优选实施例中，冷却系统(如散热器)的一部分上涂有催化或吸附组合物。此外，冷却系统中安装的一个风扇能够抽取或迫使空气进入与散热器相接触的操作状态。然后将空气中包括的污染物，如臭氧和/或一氧化碳，转化为非污染物(如氧气和二氧化碳)。
本申请人还有一个正在审查中的专利申请，即于1995年3月24日提交的美国专利申请系列号08/412,525(作为参考文献并入本文)，该专利申请公开了用催化组合物活动处理大气的装置和方法，用于固定目标如静止的汽车、广告牌、空调机、等等。
催化组合物用于一个热交换器如机动车散热器的表面会产生这样的问题，即对装置的热交换性能有不利影响。比如，催化组合物可能起着绝热体的作用，从而减低了散热器扩散热量的能力。
所以，在不影响装置的热交换性能的条件下，采用热交换器装置处理空气以除去污染物的减少污染技术是一个重要的进展。如果能以一种有效的且低成本发的方式解决这一问题当是这一技术的进一步进展。
本发明一般涉及一种处理大气以除去其中污染物的方法。对一个热交换装置如汽车的散热器进行了处理，以致其外表面以催化的方式促使大气中的污染物转化为无害化合物，同时又不影响装置的热交换性能。本发明还包括可以此方法清除污染的热交换装置。
术语“大气”在此处定义为环绕地球的空气，“环境空气”指的是抽取或迫使其到达热交换装置外表面的大气。它还包括偶然被加热的或者通过加热设备加热的空气。
根据本发明，热交换装置的表面必须具有一种可有效地促使污染物催化转化为无害化合物的物质。所以，热交换装置的表面必须能够将诸如烃类化合物、一氧化碳和臭氧等污染物转化为无害化合物，如氧气、二氧化碳和水蒸汽。
一般来说，本发明涉及催化处理大气以将污染物转化为无害化合物的方法，该方法包括处理热交换装置的外表面以使所述表面能够催化转化污染物。在本发明的一方面，热交换装置的外表面是由催化活性的物质制成，或者配备有这样的物质，比如，贱金属催化剂、贵金属催化剂、或它们的组合。这里所用的术语“贱金属催化剂”和“贵金属催化剂”将包括贱金属和贵金属本身以及含有这些贱金属和贵金属的化合物，如贵金属的盐、贱金属的盐和氧化物。然后对表面进行处理以增加其表面积。表面处理包括使热交换装置与酸接触以形成一个“坑坑洼洼”的表面，它具有非常大的表面积，能够使所希望的催化反应更容易进行。任选地，也可以通过在处理表面的一部分涂敷一种催化组合物，而使处理表面含有其它催化金属。
在本发明的另一个优选实施方案中，外表面涂敷一种催化组合物。然而，为了防止减低热交换装置的热交换性能，催化组合物不应涂满热交换装置的整个外表面，和/或只涂在热交换装置的不直接参与热交换活动的表面上。
热交换装置可以是任何与具有不同温度的流体(气体和液体)接触操作的装置，这样就可通过两种流体的接近来进行热交换。仅为说明的目的，此处使用汽车散热器作为典型的例子。应当理解，在空调机等装置中的热交换装置也适合在本发明中使用。
通过自然风流或通过使用抽风设备将环境空气抽取到热交换装置上，比如使用风扇或类似设备抽取或迫使环境空气进入与具有催化表面的热交换装置的相接触的操作状态。作为例子，风扇可以置于一个隧道中，或作为空调系统的一部分，或如前所述，优选作为汽车常规冷却系统的一部分。该风扇一般由电源驱动，如电池、优选为汽车、太阳能板等设备中使用的常规12伏电池。根据本发明的另一方面，当催化组合物涂在热交换装置的热交换表面和/或不交换热的表面的部分上时，需要提供一个多孔的保护性涂层，以防止催化组合物被污染和通过诸如盐、灰尘、油等污染物造成过早的老化。附图简述下列附图显示本发明的实施例，其中相同的参考数码表示相同的部件，但是并不把本发明局限于本申请的权利要求书所包括的内容。


图1是一个卡车的侧面示意图，它显示一个护栅、空调机泠凝器、散热器、风扇和发动机；图2是一个汽车散热器的立体图；图3是一个散热器的放大的截面图；图4是一个散热器的一系列折皱板的部分前视图，根据本发明的一个实施例在折皱板上涂敷上了催化组合物；图5是一个散热器的一系列折皱板的部分前视图，根据本发明的另一个实施例在折皱板上涂敷上了催化组合物；图6是散热器的后视图，显示根据本发明涂敷上催化组合物的散热器后表面；图7是具有叶片的散热器的部分立体图，根据本发明在叶片上涂敷了一种催化组合物；以及图8是一个散热器的折皱板的部分前视图，折皱板的表面进行了处理以增加其表面积。
本发明涉及处理热交换装置表面的方法，从而将环境空气中所含的污染物容易地转化为无害化合物。如果表面本身是由催化活性的金属制成，或者配备有这样的金属物质，或者如果一种催化组合物涂敷在热交换器的表面，热交换装置的表面就可具有催化性能。当一种催化组合物涂敷到热交换器的外表面时，它只覆盖一部分表面和/或涂敷在非热交换表面，这样可以防止减低热交换装置的热交换性能。本发明特别适合于把烃类化合物、臭氧和一氧化碳转化为无害化合物，比如，氧气、二氧化碳和水蒸汽。
大气接触表面是热交换装置如散热器的外表面。其中有环境空气流动的任何热交换装置均可根据本发明进行处理。对本发明特别重要的是使热交换装置所外表面涂层能够催化转化污染物为无害化合物，同时对装置的热交换性能没有不利影响。
根据本发明的一个方面，热交换装置(如散热器)的外表面部分涂敷上催化组合物。特别是，催化组合物要覆盖外表面的约1％到99％，优选为约25％到75％。为了提供所需的部分涂敷，不涂敷部分可以用胶带、或者用包括如特氟等材料的涂层覆盖。有用的和优选的催化组合物包括至少一种贱金属催化剂和/或至少一种贵金属催化剂。贱金属的量和贵金属的量可以变化，且可以按大气中所含污染物来确定。一般来说，贱金属催化剂的量占催化组合物总重量的约0.05％到5.0％，优选为约0.1％到2.0％。贵金属的量可达催化组合物总重量的20％，优选为约0.5％到10％。
可以用于催化组合物的贱金属包括所有可有效地将臭氧转化为氧气和/或将一氧化碳转化为二氧化碳的贱金属。优选的贱金属包括铁、铜、铬、锌、锰、以及含有这些金属的化合物和它们的组合。贱金属一般以其氧化物形式使用。
贵金属是从常用于处理发动机尾气的催化剂的金属中选择。优选的贵金属是铂、钯、以及它们的混合物。铂是最优选的贵金属。在一种优选的催化组合物中，贵金属原则上是分散在贱金属催化剂的表面。这意味着至少50％的贵金属是在贱金属催化剂的表面上或接近于贱金属催化剂的表面，这样就能保证环境空气中的污染物快速转化为无害的副产物。
还要为催化组合物提供适当的具有很大表面积的载体材料。优选的载体材料是耐火氧化物，比如从下面一组材料中选择的氧化物二氧化铈、氧化铝、二氧化钛、二氧化硅、氧化锆、以及它们的混合物，其中氧化铝是最优选的耐火氧化物载体。耐火氧化物最好具有大的表面积，以便在给定单位面积内容纳最多的催化组合物。术语“大的表面积”当与耐火氧化物有关时一般指的是载体的表面积至少为100m2/g，优选的范围约为100到300m2/g。
如前所述，贱金属催化剂的量和贵金属催化剂的量可以在一个宽的范围内变化。在优选的催化组合物中，贵金属催化剂和贱金属催化剂的重量比至小为1∶1。优选的贵金属催化剂和贱金属催化剂的重量比在约8∶1到12∶1的范围。
贱金属和在其表面上的贵金属的组合就提供了一种催化组合物，它可在低温下操作，以将一氧化碳和臭氧有效地转化为无害的副产物。
催化组合物可通过浸渍和/或喷雾技术涂敷于散热器表面。根据本发明，催化组合物涂在散热器的热交换表面上，但不涂满整个表面，优选为涂在25％到75％的散热器表面上。
如前所述，不涂催化组合物的大气接触表面区域可以用一种材料覆盖，该材料能防止催化组合物在此区域沉积。这样的材料包括普通胶带(如屏膜胶带)和涂料，如包括特氟隆的材料或其它阻止催化组合物附着的材料。
覆盖材料涂敷到大气接触表面后，将催化组合物涂敷到要涂的区域，任何洒落到非涂敷表面的催化组合物都可以除去，比如通过揭去覆盖材料。
只要催化组合物不涂满热交换装置的整个热交换表面，催化组合物的涂敷方式实际上是没有限制的。比如，催化组合物可以涂成分布在热交换装置长度上的间隔行。另一种选择是将催化组合物涂敷到热交换装置的相对一侧的部分。
在本发明的另一方面，催化组合物可以涂敷到热交换装置的非热交换表面上。“非热交换表面”指的是这些表面不参与有关流体之间的热交换。当涂敷到所述表面上时，显然不会对该装置的热交换性能有干扰。所以，需要时，可以用催化组合物涂满全部非催化表面。热交换的非催化表面的实例包括热交换装置的背面或后面以及延伸部分(如叶片等)，这些表面不与通过其中的热交换流体接触。
热交换装置的热交换表面可具有催化性能，如果该表面本身是由催化活性物质制造或者带有催化活性物质(如贱金属自身或与少量贵金属相结合)。为了提供有效的催化表面，一般希望增加热交换装置的表面积。这可以通过用一种酸处理热交换装置的表面来实现，从而提供“坑坑洼洼”的外表面。这样处理过的热交换装置可提供一个将污染物催化转化为无害化合物的有效体系。因为此实施方案中没有将催化组合物涂敷到热交换表面上，所以可对热交换装置的整个表面或其一部分进行酸处理。
通过在散热器表面上涂敷贱金属自身或与贵金属相结合，散热器的非催化表面可具有催化性能。可以通过气化金属并将气化的金属沉积在散热器表面来涂敷催化剂金属。
然而，应当理解，在某些情况下希望将催化组合物加到粗糙化的表面以提高转化率。可以采用前面所述的同类催化组合物。在这种情况下，为防止减低热交换性能，一定不能完全覆盖热交换装置的热交换表面。
在本发明的操作中，采用自然风流或抽气设备抽取或迫使空气通过催化表面。对于陆用汽车，这种热交换表面优选为散热器的表面。不过应当理解，其它热交换装置如空调冷凝器等也可用类似的方法处理。
在本发明的最优选实施方案中，大气接触表面是一个散热器的表面。通过按照本文所述处理散热器表面，就很容易从大气中除去污染物，同时不会减低散热器的热交换性能。
通过参考附图1-8，本领域技术人员将理解本发明。本发明可应用于任何类型的热交换装置，且可应用于热交换表面和非热交换表面。根据本发明，特别重要的是保持了热交换装置的热交换特性。当环境空气接触到热交换装置的催化表面时，烃类化合物、一氧化碳、和/或臭氧经催化反应而产生无害副产物，如氧气、二氧化碳和水蒸汽。
本领域技术人员将会理解，当热交换器与运载工具相联系时，可以采用任何适合的运载工具。运载工具包括轿车、卡车、火车、轮船、军舰、飞机、飞艇、气球，等等。优选在汽车中，大气接触表面是位于汽车前面接近冷却系统风扇的表面。有用的接触表面包括散热器、空调冷凝器等部件的外表面，这些都位于并固定在汽车的前箱内。
图1所示为包括一组汽车部件的卡车10的示意图，其中散热器或空调冷凝器包括大气接触表面。该卡车包括一个护栅12、一个空调机冷凝器14、一个散热器16和一个散热器风扇18。可以理解，在卡车中能发现其它汽车部件。
参看图1和图2，优选的大接触表面包括空调冷凝器14的前表面13和侧表面15、散热器16的前表面17和侧表面19。这些表面都位于该卡车的前箱24中。它们一般都在卡车前面26和发动机28之间的卡车盖下面。空调冷凝器14和散热器16可直接或间接固定在前箱24上或该前箱中的一个支架(未示出)上。
图2是一个散热器-空调冷凝器组件的示意图。该汽车包括一个前箱30。汽车的前端32具有固定在前箱30前面的护栅12。一个空调冷凝器14、一个散热器16和一个散热器风扇18位于前箱30内。
空调冷凝器14和散热器16的表面可根据本发明进行处理以提供一个催化表面，同时对该装置的热交换性能没有不利影响。最优选的大气接触表面是散热器16的外表面。一个典型的散热器具有前表面和后表面，其间用扁平管隔开，且具有一组散热器折皱板。更特别地参看图3，这里显示一个散热器18，它包括用于第一种流体流动的隔开管子40，其间有一系列折皱板42确定了第二种流体的流路44，第二种流体在第一种流体的横向上流动。第一种流体，如防冻液，由一个液源(未示出)通过入口46供给管子40。该防冻液在相对低的温度下通过入口46进入散热器18，最终通过出口48离开该散热器。第二种流体，如空气，通过流路44，且在此处与通过管子40的第一种流体建立起热交换关系。
根据本发明，可对散热器18的折皱板42的表面进行处理以提供一个催化表面，这并不干扰散热器的热交换性能。在本发明的一个实施方案中，催化组合物以间隔行的形式涂在折皱板42上。特别参看图4，这里显示本发明的一个实施方案，其中折皱板42间隔涂敷上一种催化组合物，用于从大气中除去污染物。如图4特别显示，表面42a、42c、42e、42g和42I涂敷上催化组合物，而42b、42d、42f、42h和42j却未涂。因此，散热器18具备了能够将污染物转化为无害化合物的催化表面，同时又能通过暴露的未涂表面以有效的方式完成热交换功能。
在本发明的另一个实施方案中，催化剂涂料涂敷到所有的折皱表面，但只涂敷在一部分上。参看图5，每个板42的表面一部分上涂敷有催化组合物，从而提供了一个催化表面42j和一个非催化表面42k。在此实施方案中，每个折皱板都提供了一个将污染物转化为无害化合物的催化表面，同时又能使散热器通过所有折皱板完成其热交换功能。
根据本发明，散热器或其它热交换装置的非热交换表面可以涂敷上催化组合物，而不干扰该装置的热交换性能。特别是，散热器的非热交换表面可以涂敷上催化组合物，和/或非热交换的延伸部分可以增加到热交换装置上，且涂敷上催化组合物。
参看图6，这里显示一个包括前箱50和折皱板42的散热器，其中折皱板42的后表面52涂敷了催化组合物。后表面52是非热交换表面，因为进入与后表面接触的环境空气已经被冷却液冷却，所以在该散热器的后端不发生热交换。
在如图7所示的本发明的另一个实施例中，散热器配备有至少一个、优选为一组为非热交换表面的凸出部分60(比如叶片)。叶片60以常规的方法(如通过喷雾)涂敷了催化组合物。当与环境空气接触时，叶片的表面通过热交换表面的热传导被加热，它能够将空气中所含有污染物转化为无害化合物。
在本发明的另一方面，散热器的表面可以经过处理以提供催化表面，而不用在此表面上涂敷催化组合物。在此实施方案中可以采用金属制造的散热器，它能够将烃类化合物、一氧化碳和/或臭氧转化为无害化合物。为了提供一个合适的催化表面，必须增加散热器的表面积。这可由粗糙化散热器表面的任何方法完成。参看图8，处理散热器外表面的优选方法是使该表面与一种能与酸反应的金属接触，以形成一个粗糙化表面。表面的粗糙化提供了一系列的隔开的凸点或凹坑70，这极大地增加了散热器的表面积，从而为污染物转化反应提供了足够数量的催化点。
可用于处理金属的酸包括无机酸，如盐酸、硫酸、磷酸等。也可使用有机酸，如酸性酸、甲酸等。
酸可以通过浸渍、喷雾、涂刷等方法涂敷到散热器上。所用酸的量和处理的时间在本行业的常规范围内，且足以提供散热器表面积的明显增加而又不损坏散热器的热交换性能。
在上述每个实施例中，对催化表面可提供一个多孔保护涂层。该保护涂层包括一种在温度高达100℃时仍然稳定的保护性物质，且能耐对催化组合物可能有的不利影响的化学物质、盐、灰尘和其它污染物。已知某些塑料材料能满足这一要求，包括聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯(如特氟隆)、等等。聚四氟乙烯是这一保护性涂层的优选材料。
保护性涂层可以通过浸渍和喷雾技术来形成。优选的方法是使用不含卤素的气溶胶喷雾。
权利要求
1．一种催化处理大气以将污染物转化为无害化合物的方法，该方法包括对热交换装置的外表面进行处理从而使所述表面能够催化转化所述污染物，同时对热交换装置的热交换性能没有不利影响。
2．权利要求1的方法，其中所述外表面包括至少一种催化活性金属，所述方法包括增加热交换装置外表面的表面积。
3．权利要求2的方法，包括用酸处理热交换装置的外表面，酸的用量足以粗糙化至少一部分所述外表面。
4．权利要求2的方法，其中外表面所用的金属选自贱金属、贵金属和它们的组合。
5．权利要求3的方法，其中所用的酸选自盐酸、硫酸、磷酸和有机酸。
6．权利要求3的方法，进一步包括在热交换装置的至少一部分处理过的外表面上沉积催化金属。
7．权利要求6的方法，其中在热交换装置上沉积催化金属的步骤包括气化金属并在热交换装置的外表面上沉积所述金属。
8．权利要求1的方法，包括涂布一种催化组合物到热交换装置的一部分外表面上。
9．权利要求8的方法，包括涂敷催化组合物到热交换装置的1％-99％的外表面上。
10．权利要求9的方法，包括涂敷催化组合物到热交换装置的25％-75％的外表面上。
11．权利要求8的方法，包括涂敷一种催化组合物涂层到热交换装置的一部分外表面上，所述催化组合物涂层包括选自贱金属、贵金属、它们的化合物，及其组合的催化组分。
12．权利要求8的方法，其中催化组合物包括占催化组合物总重量约0.05％到5.0％的贱金属催化剂和高达约20％的贵金属催化剂。
13．权利要求11的方法，其中至少50％的贵金属催化剂是在贱金属催化剂的表面上，或接近贱金属催化剂的表面。
14．权利要求8的方法，包括将催化组合物以间隔行的方式涂敷到热交换装置。
15．权利要求8的方法，其中热交换装置包括一组折皱板，所述方法包括涂敷催化组合物到每个折皱板的一部分。
16．权利要求12的方法，其中贵金属催化剂与贱金属催化剂的重量百分比比例至少为1∶1。
17．权利要求1的方法，其中热交换装置包括一个非热交换外表面，所述方法包括用催化组合物处理至少一部分非热交换表面。
18．权利要求1的方法，进一步包括涂敷保护性涂层到热交换装置的外表面。
19．权利要求18的方法，其中保护性涂层包括至少一种在温度高达100℃时仍然稳定且耐对处理步骤有不利影响的污染物的保护性物质。
20．权利要求19的方法，其中保护性物质选自聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯。
21．权利要求19的方法，包括将保护性物质作为气溶胶喷雾到热交换装置的外表面上。
22．一种热交换装置，包括一个外表面，该外表面的至少一部分经处理从而使所述表面能够将环境空气中的污染物催化转化为无害化合物，同时对热交换装置的热交换性能没有不利影响。
23．权利要求22的热交换装置，包括一个酸处理过的外表面。
24．权利要求22的热交换装置，包括一个热交换外表面，所述热交换外表面的一部分涂敷上一种催化组合物。
25．权利要求22的热交换装置，包括一个非热交换外表面，所述非热交换外表面的至少一部分涂敷一种催化组合物。
26．权利要求24的热交换装置，其中热交换外表面涂敷一组间隔行的催化组合物。
27．权利要求24的热交换装置，包括一组折皱板，所述催化组合物涂敷在每个折皱板的一部分上。
28．权利要求22的热交换装置，进一步包括外表面上的一个保护性涂层。
29．权利要求28的热交换装置，其中保护性涂层包括至少一种在温度高达100℃时仍然稳定且耐对处理步骤有不利影响的污染物的保护性物质。
30．权利要求29的热交换装置，其中保护性物质选自聚乙烯、聚丙烯和聚四氟乙烯。
全文摘要
催化活化热交换装置表面的方法以及由此得到的热交换装置,该方法同时保持该装置的热交换性能。
文档编号F24F3/16GK1225037SQ9719632
公开日1999年8月4日 申请日期1997年5月6日 优先权日1997年5月6日
发明者J·C·德特林格 申请人:恩格尔哈德公司