DE102017108079A1 - Carbon fiber reinforced plastic sheet, process for its production and its use - Google Patents

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein flächiges Kohlenstofffaser-basiertes Kunststoffhalbzeug mit einer Länge und einer Breite, umfassend eine Polymermatrix und darin im Wesentlichen in Richtung der Länge des Kunststoffhalbzeugs ausgerichtete Kohlenstofffasern, die eine Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung von mindestens 300 W/m·K besitzen.
Weiterhin betrifft die Erfindung eine Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, die eine Länge und eine Breite besitzt, bestehend aus mindestens zwei in Längsrichtung übereinander angeordneten Lagen des erfindungsgemäßen flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung der Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, eine Heißpresse zur Durchführung des Verfahrens, und einen Plattenwärmeübertrager, in welchem die erfindungsgemäßen Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatten angeordnet sind.

Figure DE102017108079A1_0000
The present invention relates to a sheet-like carbon fiber-based plastic semifinished product having a length and a width comprising a polymer matrix and carbon fibers oriented substantially in the direction of the length of the plastic semifinished product and having a fiber-directional thermal conductivity of at least 300 W / m · K.
Furthermore, the invention relates to a carbon fiber reinforced plastic plate having a length and a width consisting of at least two longitudinally superimposed layers of the planar carbon fiber-based plastic semi-finished product according to the invention. Moreover, the invention relates to a method for producing the carbon fiber reinforced plastic plate, a hot press for carrying out the method, and a plate heat exchanger, in which the carbon fiber reinforced plastic plates according to the invention are arranged.
Figure DE102017108079A1_0000

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein flächiges Kohlenstofffaser-basiertes Kunststoffhalbzeug, eine daraus hergestellte Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, deren Herstellung und Verwendung. Weiterhin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens.The present invention relates to a sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product, a carbon fiber-reinforced plastic sheet produced therefrom, and to the production and use thereof. Furthermore, the invention relates to a device for carrying out the method.

In vielen Industrieanwendungen hat sich der Plattenwärmeübertrager gegenüber alternativen Bauweisen durchgesetzt. Der Marktanteil der Plattensysteme am gesamten Markt der Wärmeübertragung beträgt mehr als 20 % mit stark steigender Tendenz. Zur Verbindung der Platten gibt es verschiedene Varianten mit jeweiligen Vor- und Nachteilen.In many industrial applications, the plate heat exchanger has prevailed over alternative designs. The market share of plate systems in the entire market of heat transfer is more than 20% with a strong upward trend. To connect the plates, there are different variants with respective advantages and disadvantages.

So sind im Stand der Technik geschraubte Plattenwärmeübertrager bekannt, die vor allem zur Kühlung und Erhitzung von Flüssigkeiten eingesetzt werden. Der Vorteil dieser Systeme liegt in der einfachen Wartung und Reinigung. Da die Profilplatten durch Druckplatten und ein Ankerzugsystem miteinander verschraubt sind, lassen sie sich in kurzer Zeit demontieren, reinigen oder austauschen. Betriebsdrücke bis 25 bar und Betriebstemperaturen von - 40 °C bis 180 °C können so realisiert werden. Diese Parameter werden durch die Elastomerdichtungen zwischen den Platten bestimmt die zudem eine eingeschränkte chemische Beständigkeit bei der thermischen Behandlung aggressiver Medien aufweisen.Thus, in the prior art bolted plate heat exchangers are known, which are mainly used for cooling and heating of liquids. The advantage of these systems is the ease of maintenance and cleaning. Since the profile plates are bolted together by pressure plates and an anchor pull system, they can be disassembled, cleaned or replaced in a short time. Operating pressures up to 25 bar and operating temperatures of - 40 ° C to 180 ° C can be realized. These parameters are determined by the elastomeric seals between the plates, which also have limited chemical resistance in the thermal treatment of aggressive media.

Bekannt sind weiterhin gelötete Plattenwärmeübertrager, die aufgrund einer Vielzahl günstiger Eigenschaften hinsichtlich des Wirkungsgrades, der Druckfestigkeit, der Baugröße und der Wirtschaftlichkeit auf einem sehr breiten Anwendungsfeld zum Einsatz kommen. Die wichtigsten Bereiche sind hierbei die Verarbeitung von flüssigen Medien sowie die Verwendung als Verdampfer, Verflüssiger, Gaskühler und Drucklufttrockner. Anstelle einer Elastomer-Dichtung werden zwischen den Profilplatten Kupfer- oder Nickelbasisfolien platziert und das gesamte Profilplattenpaket im Vakuumofen hart verlötet. Die Lebensdauer dieser Plattensysteme wird je nach Anwendungsfall auf ca. 10 - 15 Jahre veranschlagt. Bei der Verarbeitung von sauerstoffhaltigem Trink- oder Kühlwasser hat sich jedoch gezeigt, dass schon nach sehr kurzen Betriebszeiten Korrosionsschäden vor allem am Kupferlot aufgetreten sind.Also known are soldered plate heat exchangers, which are used in a very wide range of applications due to a variety of favorable properties in terms of efficiency, compressive strength, size and economy. The most important areas here are the processing of liquid media as well as the use as evaporator, condenser, gas cooler and compressed air dryer. Instead of an elastomer seal, copper or nickel-based foils are placed between the profile plates and the entire profile plate pack is brazed in a vacuum oven. The lifetime of these plate systems is estimated to be about 10 to 15 years, depending on the application. In the processing of oxygen-containing drinking or cooling water, however, has shown that after a very short periods of operation corrosion damage, especially at the copper solder occurred.

Bei aggressiven Medien wie beispielsweise Ammoniak oder bei hohen Druckbeanspruchungen über 25 bar und hohen Temperaturen über 200 °C ist der Einsatz von gedichteten Plattenwärmeübertragern sehr schwierig. Als Alternative zu gedichteten und gelöteten Systemen wurden semi-geschweißte oder vollverschweißte Plattenwärmeübertrager aus Edelstahl-, Nickel- und Titanlegierungen entwickelt. Bei semi-geschweißten Systemen sind jeweils zwei Platten miteinander verschweißt und bilden einen hermetisch dichten Strömungskanal für das zu verarbeitende kritische Medium. Die Strömungskanäle zwischen den einzelnen Kassetten führen das weniger kritische Medium und werden herkömmlich abgedichtet. Dadurch ist eine einfache Wartung durch den Austausch einzelner Plattenkassetten im Gegensatz zu vollverschweißten Plattensystemen jederzeit möglich. Jedoch werden sowohl für semi-geschweißte als auch für vollverschweißte Plattenwärmeübertrager aufgrund der hohen Druckbeanspruchung zusätzlich Druckgestelle vorgesehen, die auf der einen Seite einen höheren Systemdruck zulassen auf der anderen Seite aber das Systemgewicht deutlich erhöhen, was nachteilig ist.In aggressive media such as ammonia or at high pressure loads above 25 bar and high temperatures above 200 ° C, the use of sealed plate heat exchangers is very difficult. Semi-welded or fully welded plate heat exchangers made of stainless steel, nickel and titanium alloys have been developed as an alternative to sealed and soldered systems. In semi-welded systems, two plates are welded together and form a hermetically sealed flow channel for the critical medium to be processed. The flow channels between the individual cassettes guide the less critical medium and are conventionally sealed. As a result, easy maintenance by exchanging individual disk cartridges in contrast to fully welded plate systems is possible at any time. However, for both semi-welded and fully welded plate heat exchangers due to the high compressive stress additional pressure racks are provided, on the one hand allow a higher system pressure on the other hand, but significantly increase the system weight, which is disadvantageous.

Wesentlich für die Eigenschaften von Plattenwärmeübertragern sind die für die Platten verwendeten Materialien.Essential for the properties of plate heat exchangers are the materials used for the plates.

Für die Profilplatten von Plattenwärmeübertragern wird derzeitig trotz der geringen Wärmeleitfähigkeit von ca. 15 W/m*K hauptsächlich Edelstahl (Dichte ρ = 7,9 g/cm3) als Plattenwerkstoff eingesetzt, um die geforderte Korrosions- und Medienbeständigkeit zu gewährleisten. Für hoch beanspruchende Flüssigkeiten ist es notwendig, aufwändigere Nickel-Chrom-Molybdän Legierungen zu verwenden, die neben der höheren Dichte (8,9 g/cm3) auch eine niedrigere Wärmeleitfähigkeit (10,8 W/m*K) aufweisen.For the profile plates of plate heat exchangers, in spite of the low thermal conductivity of approx. 15 W / m * K, mainly stainless steel (density ρ = 7.9 g / cm 3 ) is currently used as plate material to ensure the required corrosion and media resistance. For high-stress liquids, it is necessary to use more complex nickel-chromium-molybdenum alloys, which in addition to the higher density (8.9 g / cm 3 ) also have a lower thermal conductivity (10.8 W / m * K).

Das hohe Materialgewicht, die geringe Wärmeleitfähigkeit sowie die Korrosionsanfälligkeit stellen insbesondere bei mobilen Anwendungen, wie z. B. bei Motoren für Kraftfahrzeuge, Flugzeuge und Schiffe einen erheblichen Nachteil dar. Zwar besitzen die hierbei installierten Wärmeübertrager einen vergleichsweise guten Wirkungsgrad, jedoch reduziert sich dieser, bei Betrachtung der Energiegesamtbilanz, entscheidend durch das hohe Eigengewicht und die Baugröße. Ein weiterer erheblicher Nachteil von konventionellen Plattenwärmeübertragern mit klassischen isotropen Konstruktionswerkstoffen für Profilplatten besteht in der Notwendigkeit von zusätzlichen Isolatoren zur Reduzierung des unerwünschten Wärmestroms an die Umgebung.The high weight of the material, the low thermal conductivity and the susceptibility to corrosion are particularly in mobile applications such. As in engines for motor vehicles, aircraft and ships a significant drawback. Although the heat exchangers installed here have a relatively good efficiency, but this reduces, when considering the overall energy balance, crucial by the high weight and size. Another significant disadvantage of conventional plate heat exchangers with classic isotropic construction materials for profile plates is the need for additional insulators to reduce the undesirable heat flow to the environment.

Um die heutzutage geforderten hohen Wärmeübertragungsraten realisieren zu können, mußte bislang eine hohe Anzahl an strömungsoptimierten Profilplatten in das Wärmeübertragungssystem eingebunden werden. Hieraus resultiert sowohl ein hohes Bauteilgewicht als auch ein erheblicher Platzbedarf für den Plattenwärmeübertrager. Die Korrosionsanfälligkeit der derzeit eingesetzten Werkstoffe konnte bislang nur durch aufwändige Beschichtungen begrenzt werden, die eine zusätzliche Verringerung der Wärmeleitung und eine Erhöhung des Bauteilgewichtes zur Folge haben. In order to be able to realize the high heat transfer rates demanded today, a large number of flow-optimized profile plates had previously to be incorporated into the heat transfer system. This results in both a high component weight and a considerable space requirement for the plate heat exchanger. So far, the corrosion susceptibility of currently used materials has only been limited by costly coatings, which result in an additional reduction in heat conduction and an increase in component weight.

Wie oben bereits erwähnt, werden im Stand der Technik für Plattenwärmeübertragungssysteme aufgrund der hohen Korrosionsbeständigkeit üblicherweise klassisch isotrope Profilplattenwerkstoffe verwendet.As noted above, the prior art plate heat transfer systems typically use classically isotropic treadstock materials due to their high corrosion resistance.

Beispiele dafür sind Edelstahl (ρ = 7,9 g/cm 3; λ = 15 W/m·K), Kupferlegierungen (ρ = 8,9 g/cm 3; λ = 46 W/m·K) und Titanlegierungen (ρ = 4,6 g/cm 3; λ = 22 W/m·K) mit Plattenstärken zwischen t = 0,4 - 1,2 mm, wobei ρ für Dichte und λ für Wärmeleitfähigkeit steht.Examples are stainless steel (ρ = 7.9 g / cm 3 , λ = 15 W / m · K ), copper alloys (ρ = 8.9 g / cm 3 , λ = 46 W / m · K ) and titanium alloys (ρ = 4.6 g / cm 3 , λ = 22 W / m · K ) with plate thicknesses between t = 0.4 - 1.2 mm, where ρ stands for density and λ for thermal conductivity.

Aber auch die Verwendung alternativer Materialien ist bekannt. So wird bereits kunstharzimprägnierter Graphit in Plattenwärmeübertragern verwendet und zeichnet sich zumindest durch eine hohe Korrosionsbeständigkeit aus.But the use of alternative materials is known. For example, graphite impregnated with synthetic resin is already being used in plate heat exchangers and is characterized by at least high corrosion resistance.

Auch ist der Einsatz Tantal-beschichteten Edelstahls bei Plattenwärmeübertragern, insbesondere beim Einsatz in Kontakt mit hochkorrosiven thermischen Flüssigkeiten bekannt. Tantal ist eines der korrosionsbeständigsten Metalle, jedoch aufgrund seiner hohen Dichte (16,65 g/cm 3) auch sehr schwer und zudem sehr teuer. Durch die hohe Korrosionsbeständigkeit soll gegenüber anderen hochbeständigen Werkstoffen wie Graphit, Siliziumkarbid oder Glas dennoch eine Verringerung der Betriebskosten erreicht werden. Um das umzusetzen ist eine spezielle Behandlungsmethode notwendig, die den eigentlichen Edelstahl-Wärmeübertrager an korrosionsgefährdeten Stellen mit einer Schicht aus Tantal versieht.The use of tantalum-coated stainless steel in plate heat exchangers, especially when used in contact with highly corrosive thermal fluids is also known. Tantalum is one of the most corrosion resistant metals, but due to its high density (16.65 g / cm 3 ) it is also very heavy and very expensive. Due to the high corrosion resistance compared to other high-resistant materials such as graphite, silicon carbide or glass to achieve a reduction in operating costs. In order to implement this, a special treatment method is necessary, which provides the actual stainless steel heat exchanger with a layer of tantalum at locations at risk of corrosion.

Durch die im Vergleich zu Metallen sehr geringen Werkstoffkosten werden auch Kunststoffe wie beispielsweise Polypropylen (PP) oder Polyethylen (PE) trotz ihrer äußerst geringen Wärmeleitfähigkeit (λ = 0,017 W/m·K) vermehrt auch für den Einsatz in Plattenwärmeübertragern verwendet. Die hierfür verwendeten Platten sind üblicherweise mit einer Vielzahl an Kanälen durchsetzt, die eine große Übertragungsfläche ermöglichen sollen.Due to the very low material costs in comparison with metals, plastics such as polypropylene (PP) or polyethylene (PE) are increasingly used despite their extremely low thermal conductivity (λ = 0.017 W / m · K ) for use in plate heat exchangers. The plates used for this purpose are usually interspersed with a variety of channels, which should allow a large transfer area.

Im Stand der Technik besteht weiterhin ein Bedarf an Plattenwärmeübertragern, die hochwärmeleitende Platten umfassen, welche eine hohe Festigkeit besitzen. Weiterhin besteht ein Bedarf daran, dass die Platten auch gegen korrosive Medien beständig sind und leichter und kostengünstiger sind als Platten, welche aus Metallen und Metalllegierungen aufgebaut sind.There remains a need in the art for plate heat exchangers comprising high thermal conductivity plates which have high strength. Furthermore, there is a need for the plates to be resistant to corrosive media and to be lighter and less expensive than plates made of metals and metal alloys.

Im Stand der Technik existieren keine Plattenwärmeübertrager auf Basis von hoch wärmeleitfähigem Kohlenstofffaser-verstärktem Kunststoff (CFK). Entwicklungen im Bereich der Anwendung von Verbundwerkstoffen für Plattenwärmeübertrager verweisen ausschließlich auf die spezifischen Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften von Kohlenstofffasern durch eine parallel zur Bauteilebene ausgerichtete Faserorientierung. Jedoch sind im Stand der Technik keine Plattenwärmeübertragungssysteme bekannt, in denen die erfindungsgemäßen Kunststoffplatten eingesetzt werden.In the prior art, there are no plate heat exchangers based on highly thermally conductive carbon fiber reinforced plastic (CFRP). Developments in the use of composite materials for plate heat exchangers refer exclusively to the specific strength and stiffness properties of carbon fibers through a parallel to the component level oriented fiber orientation. However, in the prior art no plate heat transfer systems are known in which the plastic sheets of the invention are used.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, die Nachteile des Standes der Technik zu überwinden und Platten für Plattenwärmeübertrager bereitzustellen, welche vorteilhaft sind gegenüber dem Stand der Technik.Object of the present invention is therefore to overcome the disadvantages of the prior art and provide plates for plate heat exchangers, which are advantageous over the prior art.

Die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Platten gegenüber denen des Standes der Technik bewirken auch, dass damit ausgestattete Plattenwärmeübertrager vorteilhaft gegenüber Vorrichtungen des Standes der Technik sind. Insbesondere soll eine beträchtliche Steigerung der Energieeffizienz bei gleichzeitiger Senkung des Systemgewichts erzielt werden.The advantageous properties of the panels according to the invention over those of the prior art also have the effect that plate heat exchangers equipped therewith are advantageous over devices of the prior art. In particular, a considerable increase in energy efficiency while reducing the system weight should be achieved.

Überraschenderweise wurde nun gefunden, dass vorteilhafte hochwärmeleitende Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatten bereitgestellt werden können, die sich auch zur Verwendung in Plattenwärmeübertragern eignen. Somit können Plattenwärmeübertrager mit Platten auf Basis von hochwärmeleitenden Kohlenstofffaser-verstärktem Kunststoff (CFK) bereitgestellt werden.Surprisingly, it has now been found that advantageous highly heat-conductive carbon fiber reinforced plastic plates can be provided which are also suitable for use in plate heat exchangers. Thus, plate heat exchangers can be provided with plates based on highly heat conductive carbon fiber reinforced plastic (CFRP).

Hierzu werden aus den erfindungsgemäßen flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugen Kunststoffplatten hergestellt. Die Herstellung erfolgt in einer speziell entwickelten Vorrichtung nach einem erfindungsgemäßen Herstellungsverfahren. Diese Kunststoffplatten können in Plattenwärmeübertragern verwendet werden.For this purpose, plastic sheets are produced from the sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished products according to the invention. The production takes place in a specially developed device after a inventive production process. These plastic sheets can be used in plate heat exchangers.

Bereits die trotz des geringen Gewichts vorhandene Stabilität des Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffs ist ein Vorteil gegenüber herkömmlich verwendeten metallischen Materialien. Weiterhin sind die erfindungsgemäßen CFK-Wärmeübertragerplatten korrosionsbeständig und ermöglichen aufgrund der Auswahl der Kunststoffmatrix eine große Variabilität der Eigenschaften in Bezug auf die Resistenz gegen Medien und Umgebungsbedingungen wie Temperatur und Druck.Even the existing despite the low weight stability of the carbon fiber reinforced plastic is an advantage over conventionally used metallic materials. Furthermore, the CFRP heat transfer plates according to the invention are resistant to corrosion and, due to the selection of the plastic matrix, allow a great variability of the properties with respect to the resistance to media and environmental conditions such as temperature and pressure.

Weiterhin haben die Erfinder überraschenderweise gefunden, dass es möglich ist, eine gewünschte Wärmeleitfähigkeit bis hin zur maximalen Wärmeleitfähigkeit bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Wärmeübertragerplatten einzustellen. Hierzu werden die Kohlenstofffasern in der Kunststoffplatte im Wesentlichen in einem bestimmten Winkel zur Plattenebene ausgerichtet.Furthermore, the inventors have surprisingly found that it is possible to set a desired thermal conductivity up to the maximum thermal conductivity in the production of heat exchanger plates according to the invention. For this purpose, the carbon fibers are aligned in the plastic plate substantially at a certain angle to the plate plane.

Die Aufgabe der Erfindung wird also gelöst durch die Bereitstellung von dünnwandigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugen, aus welchen mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens CFK-Profilplatten hergestellt werden können, die eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit besitzen.The object of the invention is thus achieved by the provision of thin-walled carbon fiber-based plastic semi-finished products from which CFRP profile plates can be produced by means of the method according to the invention, which have a certain thermal conductivity.

Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass es möglich ist, aus einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Halbzeugs Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatten herzustellen, die sich in ihrer Wärmeleitung unterscheiden. It is particularly advantageous that it is possible to produce carbon fiber reinforced plastic plates from one embodiment of the semifinished product according to the invention, which differ in their heat conduction.

Dadurch werden Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatten bereitgestellt, die für unterschiedlichste Anwendungen geeignet sind.This provides carbon fiber reinforced plastic panels suitable for a wide variety of applications.

Die vorliegende Erfindung wird mit den beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

  • 1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen hochwärmeleitfähigen Wärmeübertragerprofilplatte;
  • 2a: den Temperaturverlauf bei einem Edelstahl-Plattenwärmeübertrager;
  • 2b: den Temperaturverlauf bei einem erfindungsgemäßen CFK-Plattenwärmeübertrager, nämlich mit erfindungsgemäßer Kohlenstofffaserverstärkter Kunststoffplatte;
  • 3a: die Bildung der hochwärmeleitfähigen erfindungsgemäßen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte durch mehrlagig, mäanderförmig angeordnete Bahnen des Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs (auch als Prepreg bezeichnet) mit Querversteifung,
  • 3b: eine Detailansicht der in 3a gezeigten Darstellung;
  • 4a - 4c: eine schematische Darstellung des verfahrenstechnischen Ansatzes zur fertigungstechnischen Umsetzung der erfindungsgemäßen Kunststoffprofilplatten;
  • 5: eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen modularen Pressenwerkzeuges;
  • 6a: eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte, ausgebildet als Profilplatte, und
  • 6b: eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertragers.
The present invention will be explained in more detail with the accompanying drawings. It shows:
  • 1 shows a schematic representation of a highly heat-conductive Wärmeübertragerprofilplatte invention;
  • 2a : the temperature profile of a stainless steel plate heat exchanger;
  • 2 B : the temperature profile in a CFRP plate heat exchanger according to the invention, namely with inventive carbon fiber reinforced plastic plate;
  • 3a : the formation of the highly heat-conductive carbon-fiber reinforced plastic plate according to the invention by multilayer, meandering paths of the carbon fiber-based plastic semi-finished product (also referred to as prepreg) with transverse reinforcement,
  • 3b : a detailed view of in 3a shown illustration;
  • 4a - 4c : a schematic representation of the procedural approach to the manufacturing implementation of the plastic profile plates according to the invention;
  • 5 a schematic representation of the modular press tool according to the invention;
  • 6a : A schematic representation of the carbon fiber reinforced plastic sheet according to the invention, designed as a profile plate, and
  • 6b : a schematic representation of a plate heat exchanger according to the invention.

Die Aufgabe der Erfindung wird gelöst durch die Bereitstellung eines flächigen, Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs, einer daraus hergestellten Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte, einem Verfahren und einer Vorrichtung zu deren Herstellung, sowie deren Verwendung.The object of the invention is achieved by the provision of a sheet-like, carbon fiber-based plastic semi-finished product, a carbon fiber reinforced plastic sheet produced therefrom, a method and a device for the production thereof, and their use.

Erfindungsgemäß bereitgestellt wird ein Kohlenstofffaser-basiertes Kunststoffhalbzeug mit einer Länge und einer Breite, umfassend eine Polymermatrix und darin im Wesentlichen in Richtung der Länge des Kunststoffhalbzeugs ausgerichtete Kohlenstofffasern, die eine Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung von mindestens 300 W/m K besitzen.According to the invention, a carbon fiber-based plastic semi-finished product having a length and a width comprising a polymer matrix and carbon fibers aligned therein substantially in the direction of the length of the plastic semifinished product and having a thermal conductivity in the fiber direction of at least 300 W / m K is provided.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist das flächige Kohlenstofffaser-basierte Kunststoffhalbzeug dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffasern ausgewählt sind aus hochmoduligen und ultrahochmoduligen Kohlenstofffasern.In a preferred embodiment of the invention, the sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product is characterized in that the carbon fibers are selected from high modulus and ultra high modulus carbon fibers.

Vorteilhaft ist eine Ausführungsform, bei welcher die Polymermatrix des flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs aus Polypropylen, Polyethylen oder Polyamid oder deren Mischungen gebildet ist. An embodiment in which the polymer matrix of the sheet-like carbon fiber-based plastic semifinished product is formed from polypropylene, polyethylene or polyamide or mixtures thereof is advantageous.

Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch die Bereitstellung einer Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte gelöst, die eine Länge und eine Breite besitzt, bestehend aus mindestens zwei in Längsrichtung übereinander angeordneten Lagen des erfindungsgemäßen flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs.Furthermore, the object of the invention is achieved by providing a carbon fiber reinforced plastic plate having a length and a width consisting of at least two longitudinally stacked layers of the planar carbon fiber-based plastic semi-finished product according to the invention.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung ist eine Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, bei welcher die Kohlenstofffasern in der Kunststoffplatte im Wesentlichen in einem Winkel zwischen 10 ° bis 90 ° zur Plattenebene ausgerichtet sind.A preferred embodiment of the invention is a carbon fiber reinforced plastic plate in which the carbon fibers are aligned in the plastic plate substantially at an angle between 10 ° to 90 ° to the plate plane.

Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte, welche weiterhin Steifigkeitsfasern umfasst.Particularly preferred is an embodiment of the carbon fiber reinforced plastic sheet according to the invention, which further comprises stiffness fibers.

Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplattegelöst, wobei man mindestens zwei Lagen des erfindungsgemäßen flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs übereinander in Längsrichtung anordnet und miteinander verbindet.In addition, the object of the invention by a method for producing the carbon fiber reinforced plastic sheet according to the invention is achieved, wherein one arranges at least two layers of the sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product according to the invention one above the other in the longitudinal direction and interconnects.

Vorteilhaft ist ein Verfahren, bei welchem die Lagen des erfindungsgemäßen flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs derart übereinander angeordnet werden, dass die Kohlenstofffasern in der Kunststoffplatte im Wesentlichen einen Winkel zwischen 10 ° bis 90 ° zur Plattenebene ausgerichtet sind.Advantageously, a method in which the layers of the planar carbon fiber-based plastic semi-finished product according to the invention are arranged one above the other such that the carbon fibers in the plastic plate are substantially aligned at an angle between 10 ° to 90 ° to the plate plane.

Insbesondere bevorzugt ist ein Verfahren, bei welchem die Lagen des erfindungsgemäßen flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs mäanderförmig ausgerichtet sind und die Kohlenstofffasern in der Kunststoffplatte im Wesentlichen einen Winkel von 10 ° bis 90 ° zur Plattenebene ausbilden.Particularly preferred is a method in which the layers of the planar carbon fiber-based plastic semi-finished product according to the invention are aligned meander-shaped and form the carbon fibers in the plastic plate substantially an angle of 10 ° to 90 ° to the plate plane.

Weiterhin vorteilhaft ist ein Verfahren, bei welchem Steifigkeitsfasern in Querrichtung zu den Lagen des erfindungsgemäßen flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs auf mindestens einer der Lagen vor dem Verbinden der Lagen angeordnet werden.Also advantageous is a method in which stiffness fibers in the transverse direction to the layers of the planar carbon fiber-based plastic semi-finished product according to the invention are arranged on at least one of the layers before the layers are joined.

Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei welchem man die Lagen des erfindungsgemäßen flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs in einer Heißpresse anordnet, komprimiert, plastifiziert und verfestigt.Particularly preferred is a method in which arranges the layers of the sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product according to the invention in a hot press, compressed, plasticized and solidified.

Weiterhin wird die Aufgabe der Erfindung durch die Bereitstellung einer Heißpresse zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplattegelöst, welche Steifigkeitsfaserführungen 9, 10, und Faserspulen 14, 17, aufweist.Furthermore, the object of the invention is achieved by providing a hot press for producing a carbon fiber reinforced plastic sheet according to the invention, which stiffness fiber guides 9 . 10 , and fiber coils 14 . 17 , having.

Zudem wird die Aufgabe der Erfindung durch die Bereitstellung eines Plattenwärmeübertragers gelöst, in welchem erfindungsgemäße Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatten angeordnet sind.In addition, the object of the invention is achieved by providing a plate heat exchanger in which carbon fiber reinforced plastic plates according to the invention are arranged.

Durch die Verwendung der erfindungsgemäßen dünnwandigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeuge lassen sich wärmeleitfähige Wärmeübertragersysteme mit deutlich reduziertem Bauteilgewicht, verglichen mit dem Stand der Technik, bereitstellen. Die dafür eingesetzten hochmoduligen Kohlenstofffasern zeichnen sich neben der hohen Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung (≈1200 W/m·K) durch hohe spezifische Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften aus.By using the thin-walled carbon fiber-based plastic semi-finished products according to the invention, it is possible to provide thermally conductive heat exchanger systems with a significantly reduced component weight compared with the prior art. The high-modulus carbon fibers used for this purpose are characterized not only by their high thermal conductivity in the fiber direction (≈1200 W / m · K), but also by their high specific strength and stiffness properties.

Höchste Wärmeleiteigenschaften besitzen „Ultra-High-Modulus“ (UHM)-Spezial-Kohlenstofffasern, deren Wärmeleitung 3-fach höher ist als von reinem Kupfer und 50-fach im Vergleich zu Edelstahl.Ultra high modulus (UHM) special carbon fibers have their highest thermal conductivity, their heat conduction 3 -fold higher than pure copper and 50-fold compared to stainless steel.

Durch eine spezielle Ausrichtung der Kohlenstofffasern in der aus den Halbzeugen erzeugten Kunststoffplatte, beispielsweise eine im Wesentlichen geneigte mäanderförmige Ausrichtung der Fasern mit hohem Normalen-Anteil zur Plattenebene, kann die enorme Wärmleitfähigkeit des Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffes (ρ = 2,2 g/cm 3) in Faserrichtung ausgenutzt und eine hohe Festigkeit sowie Steifigkeit der Profilplatten erzielt werden.By a special orientation of the carbon fibers in the plastic sheet produced from the semifinished products, for example a substantially inclined meandering orientation of the fibers with a high normal content to the plate plane, the enormous thermal conductivity of the carbon fiber reinforced plastic (ρ = 2.2 g / cm 3 ) exploited in the fiber direction and a high strength and rigidity of the profile plates can be achieved.

Darüber hinaus ergibt sich eine enorme Senkung des Systemgewichtes, sowie eine beträchtliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit durch den Einsatz einer thermoplastischen Matrix. In addition, there is a huge reduction in system weight, as well as a significant improvement in corrosion resistance through the use of a thermoplastic matrix.

Den Ausgangspunkt für die Herstellung der hochwärmleitfähigen CFK-Profilplatten bilden hochmodulige oder ultrahochmodulige Kohlenstofffasern, welche fixiert durch eine dünne thermoplastische Kunststoffmatrix in einem Prepreg-Halbzeug vorliegen. Beim statischen Heißpressen werden diese Prepreg-Schichten gestapelt und entsprechend der geforderten Faserorientierung im Plattenwerkzeug der temperier- sowie kühlbaren Ständerpresse auf gewünschte Weise, beispielsweise mäanderförmig angeordnet und simultan bei Verarbeitungstemperatur (etwa bei Matrixschmelztemperatur) komprimiert und zu Profilplatten für Plattenwärmeübertragungssysteme verarbeitet.The starting point for the production of the highly heat-conductive CFRP profile plates are high-modulus or ultra-high-modulus carbon fibers which are fixed by a thin thermoplastic matrix in a prepreg semifinished product. In static hot pressing these prepreg layers are stacked and according to the required fiber orientation in the plate mold of tempering and coolable upright press arranged in a desired manner, for example meandering and simultaneously at processing temperature (about matrix melt temperature) compressed and processed into profile plates for plate heat transfer systems.

Zur Herstellung der erfindungsgemäßen Profilplatten werden also erfindungsgemäß Kohlenstofffaser-basierte Kunststoffhalbzeuge verwendet. Zur Herstellung dieser erfindungsgemäßen Kunststoffhalbzeuge werden bevorzugt hochmodulige (HM) Kohlenstofffasern eingesetzt, die sich neben der hohen Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung von mindestens 300 W/m·K durch hohe spezifische Festigkeits- und Steifigkeitseigenschaften auszeichnen.Carbon fiber-based plastic semi-finished products are thus used according to the invention for producing the profiled sheets according to the invention. High-modulus (HM) carbon fibers are preferably used for the production of these plastic semi-finished products according to the invention, which in addition to the high thermal conductivity in the fiber direction of at least 300 W / m · K are characterized by high specific strength and stiffness properties.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform werden „Ultra-High-Modulus“ (UHM)- Spezial-Kohlenstofffasern verwendet, die besonders vorteilhafte Wärmeleiteigenschaften besitzen. Ihre Wärmeleitung ist 3-fach höher ist als von reinem Kupfer und 50-fach im Vergleich zu Edelstahl.In a particularly preferred embodiment, "ultra high modulus" (UHM) specialty carbon fibers are used which have particularly advantageous thermal conduction properties. Its heat conduction is 3 times higher than that of pure copper and 50 times higher than stainless steel.

Diese erfindungsgemäß verwendeten Kohlenstofffasern sind kommerziell erhältlich.These carbon fibers used in the invention are commercially available.

Im Unterschied zu metallischen Werkstoffen, bei denen sich die Wärmeleitung isotrop verhält, ist die thermische Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern generell stark anisotrop ausgeprägt und in Faserrichtung am höchsten. UHM-Fasern werden aufgrund der hohen Kohlenstoffausbeute auf Polyacrylnitril-(PAN) (50 %) oder Pech-Basis (> 80 %) hergestellt. Die hohe Wärmeleitzahl resultiert dabei aus einer speziellen Graphitierung während des Herstellungsprozesses bei Temperaturen bis zu 3000 °C. Dadurch wird die Vororientierung der Graphitebenen in Richtung der Faserachse erhöht, so dass mittels der kovalenten Kristallbindungen ein stark anisotropes Materialverhalten entsteht. Infolgedessen beträgt die Wärmeleitung quer zur Faserrichtung ca. 1 - 2 W/m·K. Im Verbund reduziert sich die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Faseranteil. So lässt sich beispielsweise bei einem unidirektionalen Laminataufbau mit 60 % Faservolumengehalt und 40% Kunststoffmatrix eine Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung von mehr als 700 W/m·K erzielen.In contrast to metallic materials in which the heat conduction behaves isotropically, the thermal conductivity of the carbon fibers is generally strongly anisotropic and highest in the fiber direction. UHM fibers are made from polyacrylonitrile (PAN) (50%) or pitch (> 80%) due to the high carbon yield. The high thermal conductivity results from a special graphitization during the manufacturing process at temperatures up to 3000 ° C. As a result, the preorientation of the graphite planes in the direction of the fiber axis is increased, so that a strongly anisotropic material behavior is produced by means of the covalent crystal bonds. As a result, the heat conduction across the fiber direction is about 1 - 2 W / m · K. In combination, the thermal conductivity is reduced depending on the fiber content. Thus, for example, in the case of a unidirectional laminate structure with 60% fiber volume content and 40% plastic matrix, a thermal conductivity in the fiber direction of more than 700 W / m · K can be achieved.

Hochmodulige Fasern (HM - high modulus, C-Gehalt: 99 Gew.-%) Kohlenstofffasern sind elektrisch gut leitend. Der spezifische elektrische Widerstand liegt bei ρ = 8 (HM-Faser)High modulus fibers (HM - high modulus, C content: 99% by weight) Carbon fibers are electrically conductive. The specific electrical resistance is ρ = 8 (HM fiber)

Ultrahochmodulige Fasern (UHM - ultrahighmodulus, C-Gehalt >99 Gew.-%) UHM Typen werden auch als Graphitfasern bezeichnet, da die Temperatur während dieser zweiten Variante der Herstellung üblicherweise höher als 2500 °C ist.Ultrahigh modulus fibers (UHM ultrahigh modulus, C content> 99 wt%) UHM grades are also referred to as graphite fibers because the temperature during this second variant of the preparation is usually higher than 2500 ° C.

Fasern mit hohem Graphitierungsgrad, also Hochmodulfasern, oxidieren weit weniger und können bei noch höheren Temperaturen eingesetzt werden. Da C-Fasern zu über 90 % aus Kohlenstoff bestehen, besitzen sie einen extrem niedrigen thermischen Ausdehnungskoeffizienten.Fibers with a high degree of graphitization, ie high modulus fibers, oxidize far less and can be used at even higher temperatures. Because carbon fibers consist of more than 90% carbon, they have an extremely low coefficient of thermal expansion.

Eine Übersicht über die Eigenschaften verschiedener Kohlenstofffasern gibt Tabelle 1. Tabelle 1, Eigenschaften von Kohlenstofffasern und deren Bezeichnung HT-Faser ST-Faser IM-Faser HM-Faser UHM-Faser E-Modul längs Ef∥ in N/mm2 230 000 245 000 294 000 392 000 450 000 E-Modul quer Ef⊥ in N/mm2 28 000 15 200 G-Modul Gf⊥∥ in N/mm2 50 000 28 600 Querkontraktionszahl νf⊥∥ 0,23 0,2 Therm. Ausdehnungskoeff. längs αTf∥ [10-6/°C] -0,455 -1,08 Therm. Ausdehnungskoeff. quer αTf⊥ [10-6/°C] 12,5 31 Zugfestigkeit R f ‖ +

Figure DE102017108079A1_0001
in N/mm2 3 430 4 510 4 210 2 450 2 150 Dichte ρf in g/cm3 1,74 1,8 1,74 1,81 1,9 Table 1 gives an overview of the properties of different carbon fibers. Table 1, Properties of carbon fibers and their designation HT-fiber ST fiber IM-Fiber HM fiber UHM fiber E-module along E f∥ in N / mm 2 230,000 245,000 294,000 392,000 450,000 E-modulus across E f⊥ in N / mm 2 28,000 15,200 G-modulus G f⊥∥ in N / mm 2 50,000 28 600 Cross contraction number ν f⊥∥ 0.23 0.2 Therm. Coefficient of expansion. along α Tf∥ [10 -6 / ° C] -0.455 -1.08 Therm. Coefficient of expansion. transverse α Tf⊥ [10 -6 / ° C] 12.5 31 tensile strenght R f ‖ +
Figure DE102017108079A1_0001
 in N / mm 2 3 430 4 510 4 210 2 450 2,150 Density ρ f in g / cm 3 1.74 1.8 1.74 1.81 1.9

In einer Ausführungsform der Erfindung stellen die Erfinder ein Verfahren zur gezielten Ausrichtung von hochwärmeleitfähigen Kohlenstofffasern mit einem hohen Normal-Anteil zur Plattenebene von Profilplatten für Wärmeübertragungssysteme bereit. Weiterhin offenbaren die Erfinder ein Presswerkzeug sowie die Integration der Halbzeug-Führung, beispielsweise in Mäanderform in einem Presswerkzeug bereit.In one embodiment of the invention, the inventors provide a method for targeted alignment of high thermal conductivity carbon fibers with a high normal content to the plate plane of profile plates for heat transfer systems. Furthermore, the inventors disclose a pressing tool as well as the integration of the semifinished product guide, for example in meandering form, in a pressing tool.

Beispielhaft kann die Erfindung in hoch effizienten Plattenwärmeübertragungssystemen aus dünnwandigen (t = < 1 mm) hochwärmeleitfähigen CFK-Profilplatten umgesetzt werden.By way of example, the invention can be implemented in highly efficient plate heat transfer systems made of thin-walled (t = <1 mm) highly heat-conductive CFRP profile plates.

Insgesamt ist die Erfindung in einem breiten Anwendungsbereich einsetzbar. Ein großes Interesse besteht im verarbeitenden Gewerbe (Metallindustrie, Maschinenbau, Kraftfahrzeuge, Papiererzeugnisse, Nahrungsmittel, Elektroindustrie, chemische Erzeugnisse) und hier vor allem im Bereich der Thermotechnik. Effiziente Wärmerückgewinnungs- und Kühlsysteme sind aufgrund des Energieeinsparungsgesetzes (EnEg) und der europäischen Energieeffizienzrichtlinie (EED) gegenwärtig stark nachgefragt.Overall, the invention can be used in a wide range of applications. There is a great deal of interest in the manufacturing sector (metal industry, mechanical engineering, motor vehicles, paper products, foodstuffs, electrical industry, chemical products), especially in the field of thermotechnology. Efficient heat recovery and cooling systems are currently in high demand due to the Energy Saving Act (EnEg) and the European Energy Efficiency Directive (EED).

Im Unterschied zu metallischen Werkstoffen, bei denen sich die Wärmeleitung isotrop verhält, ist die thermische Leitfähigkeit der Kohlenstofffasern generell stark anisotrop ausgeprägt und in Faserrichtung am höchsten. Infolgedessen beträgt die Wärmeleitung quer zur Faserrichtung ca. 1 - 2 W/m·K. Im Verbund reduziert sich die Wärmeleitfähigkeit in Abhängigkeit vom Faseranteil. So lässt sich beispielsweise bei einem unidirektionalen Laminataufbau mit 60 % Faservolumengehalt und 40 % Kunststoffmatrix eine Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung von mehr als 700 W/m·K erzielen.In contrast to metallic materials in which the heat conduction behaves isotropically, the thermal conductivity of the carbon fibers is generally strongly anisotropic and highest in the fiber direction. As a result, the heat conduction across the fiber direction is about 1 - 2 W / m · K. In combination, the thermal conductivity is reduced depending on the fiber content. Thus, for example, in the case of a unidirectional laminate structure with 60% fiber volume content and 40% plastic matrix, a thermal conductivity in the fiber direction of more than 700 W / m · K can be achieved.

BeispieleExamples

Die nachfolgenden Beispiele erläutern die Erfindung näher, ohne den Umfang der Erfindung zu beschränken.The following examples illustrate the invention in more detail without limiting the scope of the invention.

Wie bei einem vorgegebenen Halbzeug (Prepreg) eine optimale Wärmeleitfähigkeit daraus erzeugter Platten erhalten wird, wird anhand der nachfolgend beschriebenen Beispiele erläutert.As with a given semi-finished product (prepreg) optimal thermal conductivity of plates produced therefrom is obtained will be explained with reference to the examples described below.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch eine speziell geneigte mäanderförmige Ausrichtung der Kohlenstofffasern mit hohem Normalen-Anteil zur Profilplattenebene die enorme Wärmleitfähigkeit des Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffes (ρ = 2,2 g/cm 3) in Faserrichtung ausgenutzt und eine hohe Festigkeit sowie Steifigkeit der Platten erzielt.In a preferred embodiment of the invention, the enormous thermal conductivity of the carbon fiber reinforced plastic (ρ = 2.2 g / cm 3 ) in the fiber direction is utilized by a specially inclined meandering orientation of the carbon fibers with a high normal content to the profile plate plane and high strength and rigidity the plates scored.

Darüber hinaus ergibt sich eine enorme Senkung des Systemgewichtes, sowie eine beträchtliche Verbesserung der Korrosionsbeständigkeit durch den Einsatz einer thermoplastischen Matrix. Hierzu werden, hinsichtlich ihrer mechanischen, sowie thermischen Eigenschaften, die Materialien Polypropylen (PP), Polyethylen (PE), oder Polyamid (PA) als Matrixwerkstoff verwendet. Zudem ermöglicht die Anwendung der Klebtechnik zur Verbindung und Abdichtung der Profilplatten die Substituierung gewichtsintensiver Druckplatten und somit die Ausnutzung des vollen Leichtbaupotenzials.In addition, there is a huge reduction in system weight, as well as a significant improvement in corrosion resistance through the use of a thermoplastic matrix. For this purpose, with regard to their mechanical and thermal properties, the materials polypropylene (PP), polyethylene (PE), or polyamide (PA) are used as the matrix material. In addition, the use of bonding technology for connecting and sealing the profile plates enables the substitution of weight-intensive printing plates and thus the exploitation of the full lightweight potential.

Für die Umsetzung der hierfür benötigten dünnwandigen Profilplatten mit geneigt zur Bauteilebene orientierten und durch Kunststoffmatrix fixierten UHM-Fasern ist weiterhin ein Verfahren zur Herstellung von entsprechenden flächigen Halbzeugen entwickelt werden.For the implementation of the required thin-walled profile plates with inclined to the component level oriented and fixed by plastic matrix UHM fibers, a process for the production of corresponding flat semi-finished products is further developed.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen hochwärmeleitfähigen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte, die als Wärmeübertragerprofilplatte geeignet ist. 1 shows a schematic representation of a highly heat conductive carbon fiber reinforced plastic sheet according to the invention, which is suitable as a heat exchanger profile plate.

Eingezeichnet sind jeweils der Wärmestrom in XY-Richtung und in Z-Richtung. Erfindungsgemäß ist der Wärmestrom in XY-Richtung aufgrund der Ausrichtung der Kohlenstofffasern geringer als der in Z-Richtung.The heat flow in the XY direction and in the Z direction is shown in each case. According to the invention, the heat flow in the XY direction due to the orientation of the carbon fibers is lower than that in the Z direction.

Die sich aus dem Einsatz von UHM-Fasern ergebenen energetischen und gewichtsbezogenen Vorteile lassen sich skalar anhand einer beispielhaften thermisch transienten Simulation eines CFK-Plattenwärmeübertragersystems (Profilplattendicke 1 mm; Faservolumengehalt 60 %; Neigung der UHM-Fasern zu Profilplattenebene 30°) im Vergleich zu einem Edelstahl-basierten Plattenwärmeübertrager (Profilplattendicke 0,6 mm) nachweisen. The energetic and weight-related advantages resulting from the use of UHM fibers can be scalarly compared to a thermally transient simulation of a CFRP plate heat transfer system (profile plate thickness 1 mm, fiber volume content 60%, inclination of the UHM fibers to profile plate level 30 °) Stainless steel based plate heat exchanger (profile plate thickness 0.6 mm).

Hierzu werden für beide Systeme ein Wärmeübergang von α = 800 W/m 2·K für strömende Flüssigkeiten in Plattenwärmeübertragern und ein anfänglicher Temperaturgradient von Δt = 83 °C (90 °C heiße Seite; 7 °C kalte Seite) angenommen. Nach einer Zeit von ca. 100 s erreicht der Edelstahl-basierte Plattenwärmeübertrager einen nahezu linearen Temperaturverlauf bei einem resultierenden Temperaturgradienten von 2,8 °C.For both systems a heat transfer of α = 800 W / m 2 · K for flowing liquids in plate heat exchangers and an initial temperature gradient of Δt = 83 ° C (90 ° C hot side, 7 ° C cold side) are assumed. After a time of approx. 100 s, the stainless steel-based plate heat exchanger achieves a nearly linear temperature profile with a resulting temperature gradient of 2.8 ° C.

Dies ist in 2a gezeigt.This is in 2a shown.

Im Vergleich dazu erzielt der CFK-Plattenwärmeübertrager die gleiche Temperaturdifferenz bereits nach der Hälfte der Zeit und nach 100 s einen Temperaturgradienten von 1,12 °C, was in 2b gezeigt ist.In comparison, the CFRP plate heat exchanger reaches the same temperature difference after half of the time and after 100 s a temperature gradient of 1.12 ° C, which in 2 B is shown.

Daraus lässt sich erkennen, dass unter der Annahme eines Faservolumengehalts von 60 % und der im Vergleich zum Edelstahl-Plattenwärmeübertrager, gleichen Profilplattenlänge und Profilplattenbreite, sowie der gleichen Temperaturbedingungen der hochwärmeleitfähige CFK-Plattenwärmeübertrager die doppelte Wärmeübertragungsleistung erzielen kann. Mittels der hohen thermischen Leitfähigkeit und der sehr geringen Profilplattendicke ergeben sich durch den Einsatz der erfindungsgemäßen CFK-Profilplatten bei Plattenwärmeübertragern vielfältige konstruktive Vorteile, welche völlig neuartige, kompaktere und zeitgleich leistungsfähigere Bauweisen ermöglichen. Darüber hinaus wird mit Hilfe der CFK-Profilplatten eine enorme Gewichteinsparung gegenüber Edelstahl-Plattenwärmeübertragern von mehr als 60% erzielt.It can be seen that assuming a fiber volume content of 60% and compared to the stainless steel plate heat exchanger, same profile plate length and profile plate width, as well as the same temperature conditions, the highly heat-conductive CFRP plate heat exchanger can achieve twice the heat transfer performance. Due to the high thermal conductivity and the very low profile plate thickness resulting from the use of the CFRP profile plates according to the invention in Plattenwärmeübertragern manifold design advantages that allow completely new, more compact and at the same time more powerful designs. In addition, with the help of the CFRP profile plates, an enormous weight saving compared to stainless steel plate heat exchangers of more than 60% is achieved.

Stellt man einen Gewichtsvergleich eines standardisierten Plattenwärmeübertragers mit einer Profilplattenanzahl von 150 und einer Gesamtübertragungsfläche von 26,36 m2 beim Einsatz der oben genannten Werkstoffe an ergeben sich folgende Werte in kg:

  • CFK-Profilplatte: 47,43
  • Titanlegierung: 71,15
  • Edelstahl: 131,5
  • Kupferlegierung: 140,73
  • Diabon-Graphit: 421,68
If one compares the weight of a standardized plate heat exchanger with a profile plate number of 150 and a total transmission area of 26.36 m 2 when using the materials mentioned above, the following values result in kg:
  • CFK profile plate: 47.43
  • Titanium alloy: 71.15
  • Stainless steel: 131.5
  • Copper alloy: 140.73
  • Diabon graphite: 421.68

Verglichen werden: eine 1 mm CFK-Profilplatte, eine 0,6 mm Titan-Profilplatte, eine 0,6 mm Edelstahl-Profilplatte, eine 0,6 mm Kupfer-Profilplatte und eine 8 mm Diabon-Profilplatte.Compared: a 1 mm CFK profile plate, a 0.6 mm titanium profile plate, a 0.6 mm stainless steel profile plate, a 0.6 mm copper profile plate and an 8 mm Diabon profile plate.

Den Ausgangspunkt für die Herstellung der hochwärmleitfähigen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatten bilden in einer Ausführungsform UHM-Kohlenstofffasern, welche fixiert durch eine dünne thermoplastische Kunststoffmatrix in einem Prepreg-Halbzeug vorliegen.The starting point for the production of highly heat-conductive carbon fiber-reinforced plastic plates form in one embodiment UHM carbon fibers, which are fixed by a thin thermoplastic resin matrix in a prepreg semifinished product.

Die Entwicklung von derartigen Prepregs ist erforderlich, da Systeme in dieser Art mit UHM-Kohlenstofffasern, derzeit am Markt nicht verfügbar sind. Die Flächenbildung erfolgt mit Hilfe des Film-Stacking-Verfahrens.The development of such prepregs is required because UHM carbon fiber systems of this type are not currently available on the market. The surface formation takes place with the aid of the film stacking method.

Hierbei werden die UHM-Fasern mit dem folienförmig vorliegenden Matrixwerkstoff zu einer sog. unidirektionalen Einzelschicht kombiniert.In this case, the UHM fibers are combined with the film material present in the form of a film to form a so-called unidirectional single layer.

Die dadurch bereitgestellten erfindungsgemäßen Halbzeuge (Prepregs) bilden die Vorstufe für die Herstellung der hochwärmeleitenden Kunststoffplatten. Dazu werden die UHM-Kohlenstofffasern der unidirektionalen Prepregs mit einem hohen Normal-Anteil zur Profilplattenebene ausgerichtet.The semifinished products (prepregs) according to the invention provided thereby form the precursor for the production of the highly heat-conducting plastic sheets. For this purpose, the UHM carbon fibers of the unidirectional prepregs are aligned with a high normal proportion to the profile plate plane.

Die Erfinder haben gefunden, dass eine hohe Wärmeleitfähigkeit der Kunststoffplatten erreicht werden kann, wenn die Kohlenstofffasern in der Platte in einem Winkel zur späteren Plattenebene ausgerichtet werden, der zwischen 10° und 90 ° beträgt. Eine derartige Ausrichtung der Kohlenstofffasern wird erfindungsgemäß beispielsweise dadurch erreicht, dass die Halbzeugbahnen mäanderförmig, mehrschichtig und unidirektional angeordnet werden, bevor sie zu einer Platte verpresst werden. Damit die Profilplatten, neben der hohen Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung, über ausreichende Querfestigkeits- und Quersteifigkeitseigenschaften verfügen, werden in einer bevorzugten Ausführungsform in der Bauteilebene - in die Mäanderbögen - während der Profilierung, zusätzliche Rovings („Steifigkeitsfasern“) eingebracht werden.The inventors have found that a high thermal conductivity of the plastic sheets can be achieved if the carbon fibers in the sheet are oriented at an angle to the later sheet plane, which is between 10 ° and 90 °. Such an orientation of the carbon fibers is achieved according to the invention, for example, by arranging the semifinished product webs in a meandering, multilayered and unidirectional manner before they are pressed into a plate. So that the profile plates, in addition to the high thermal conductivity in the thickness direction, over sufficient Querfestigkeits- and transverse stiffness properties In a preferred embodiment, additional rovings ("stiffness fibers") will be introduced in the component level-in the meandering arches-during profiling.

Diese Ausführungsform ist in den 3a und 3b gezeigt. Dargestellt ist die Herstellung der hochwärmeleitfähigen Profilplatten durch mehrlagige, mäanderförmig angeordnete, erfindungsgemäße flächige Kohlenstofffaser-basiertes Kunststoffhalbzeug (hier UHM-Prepreglagen) mit Querversteifung. Ein Teilbereich, gezeigt in 3b, ist vergrößert dargestellt. Die kohlenstofffaserverstärkten Prepregs werden mäanderförmig ausgerichtet und presstechnisch verarbeitet.This embodiment is in the 3a and 3b shown. Shown is the production of highly heat-conductive profile plates by multilayer, meander-shaped, inventive planar carbon fiber-based plastic semi-finished products (here UHM prepreg layers) with transverse reinforcement. A subarea, shown in 3b , is shown enlarged. The carbon fiber-reinforced prepregs are meandered and press-processed.

Beim statischen Heißpressen werden die Prepreg-Schichten gestapelt und entsprechend der geforderten Faserorientierung im Plattenwerkzeug der temperierbaren sowie kühlbaren Ständerpresse mäanderförmig angeordnet und simultan bei Verarbeitungstemperatur (etwa bei Matrixschmelztemperatur) komprimiert. Um besonders hochwertige Bauteile herstellen zu können, wurde hierfür ein robustes Werkzeugsystem mit Prozessüberwachung (Werkzeuginnendruck pWZi, Temperatur), einer homogenen Wärmeverteilung (Anordnung von Heizpatronen) sowie eine entsprechende Regelung zur sicheren Prozessführung sowie Ansteuerung der Temperierung entwickelt. Der neuartige verfahrenstechnische Ansatz ist in den 4a, 4b und 4c schematisch dargestellt.In static hot pressing, the prepreg layers are stacked and arranged according to the required fiber orientation meandering in the plate mold of the temperature-controlled and coolable stator press and simultaneously compressed at the processing temperature (at about the matrix melt temperature). In order to be able to produce particularly high-quality components, a robust tool system with process monitoring ( cavity pressure p WZi , temperature), a homogeneous heat distribution (arrangement of heating cartridges) as well as a corresponding control for safe process control and control of the temperature control has been developed. The novel procedural approach is in the 4a . 4b and 4c shown schematically.

5 zeigt eine schematische Darstellung des neuartigen modularen Pressenwerkzeuges, das für die Herstellung der erfindungsgemäßen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatten entwickelt wurde. 5 shows a schematic representation of the novel modular press tool that has been developed for the production of carbon fiber reinforced plastic sheets according to the invention.

Durch die seitlich eingebrachten „Steifigkeitsfasern“ werden die Prepreg-Halbzeuge in einer bevorzugten Ausführungsform in eine mäanderförmige Anordnung überführt und die Halbzeuge mittels des Pressenwerkzeuges komprimiert.Due to the laterally introduced "stiffness fibers", the prepreg semifinished products are converted in a preferred embodiment into a meander-shaped arrangement and the semi-finished products are compressed by means of the pressing tool.

Je nachdem, an welcher Position und in welcher Anzahl die Steifigkeitsfasern eingebracht werden, werden die Lagen des Halbzeugs vor dem Verpressen aus der Ebene der Kavität der Presse zumindest teilweise angehoben. Hierbei können die Lagen wellenförmig oder auch gewinkelt aus der Ebene der Kavität der Presse herausragen. Das Verpressen fixiert diese Anordnung, die mit einer Ausrichtung der Kohlenstofffasern aus der Ebene der Platte heraus bewirkt.Depending on at which position and in what number the stiffness fibers are introduced, the layers of the semifinished product are at least partially raised before being pressed out of the plane of the cavity of the press. In this case, the layers can project out of the plane of the cavity of the press in a wave-shaped or angled manner. The pressing fixes this arrangement, which causes alignment of the carbon fibers out of the plane of the plate.

Als Steifigkeitsfasern werden bevorzugt Kohlenstofffasern verwendet, die jedoch keine spezielle Wärmeleitfähigkeit besitzen müssen. Vorteilhaft ist die Verwendung von Kohlenstofffasern, weil diese beim Pressen gut in die Platte eingebunden werden.Carbon fibers are preferably used as the stiffness fibers, but they do not have to have any special thermal conductivity. Advantageous is the use of carbon fibers, because they are well integrated into the plate during pressing.

Die im Pressverfahren gefertigten endkonturnahen hochwärmeleitfähigen Profilplatten erhalten im Anschluss ihren finalen Zuschnitt. Hierbei erfolgt zusätzlich die Einbringung von Aussparungen für die Medienzufuhr und Medienabfuhr, sowie die Vorbereitung der Grenzflächen für das klebtechnische Fügen der einzelnen Profilplatten. Durch die Anwendung der Klebtechnik werden gewichtintensive Druckplatten sowie zusätzliche Dichtungen, wie sie bei geschraubten Plattenwärmeübertragern üblich sind, unnötig womit sich eine nochmalige Senkung des Betriebsgewichtes umsetzen lässt. 6a zeigt den schematischen Entwurf der hergestellten Profilplatte und 6b den erfindungsgemäßen Plattenwärmeübertrager.The near-net-shape highly heat-conductive profile plates produced in the pressing process are subsequently given their final cut. Here, in addition, the introduction of recesses for the media supply and media removal, as well as the preparation of the interfaces for the adhesive joining of the individual profile plates. The application of bonding technology makes weight-intensive printing plates and additional seals, which are common in screw-type plate heat exchangers, unnecessary, thereby allowing a further reduction in the operating weight to be implemented. 6a shows the schematic design of the manufactured profile plate and 6b the plate heat exchanger according to the invention.

Mittels der erfindungsgemäßen hochwärmeleitenden Profilplatten wird im Vergleich zum Stand der Technik eine beträchtliche Steigerung der Energieeffizienz der damit ausgestatteten Plattenwärmeübertrager bei gleichzeitiger Senkung des Systemgewichtes erzielt.By means of the highly heat-conducting profile plates according to the invention, a considerable increase in the energy efficiency of the plate heat exchangers equipped with a simultaneous reduction in the system weight is achieved in comparison to the prior art.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

AA
Querrichtungtransversely
BB
Längsrichtunglongitudinal direction
22
mäanderförmige Anordnung des Kohlenstoff-basierten KunststoffhalbzeugsMeander-shaped arrangement of the carbon-based plastic semi-finished product
33
Steifigkeitsfasern (Querversteifung)Stiffness fibers (transverse reinforcement)
44
Presse obenPress above
55
Presse untenPress below
66
Kavitätcavity
77
Presse untenPress below
88th
Kohlenstoff-basiertes KunststoffhalbzeugCarbon-based plastic semi-finished product
99
Steifigkeitsfaserführung obenStiffness fiber guide above
1010
Steifigkeitsfaserführung untenStiffness fiber guide below
1111
Rolle von Kohlenstoff-basiertem KunststoffhalbzeugRole of carbon-based semi-finished plastics
1212
Förderwalzenconveying rollers
1313
Stapel von Kohlenstoff-basiertem Kunststoffhalbzeug (Prepreg-Stapel)Stack of carbon-based plastic semi-finished products (prepreg stack)
1414
Faserspulen untenFiber coils below
1515
Steifigkeitsfasernstiffness fibers
1616
Führung für Kohlenstoff-basiertes KunststoffhalbzeugGuide for carbon-based plastic semi-finished products
1717
Faserspulen obenFiber coils above
1818
Paket von Kohlenstoffaser-verstärkten Kunststoff-ProfilplattenPackage of carbon fiber reinforced plastic profile plates
1919
Medien Ein- und AuslassMedia inlet and outlet
101101
Kohlenstofffaser-verstärkte KunststoffplatteCarbon fiber reinforced plastic plate
102102
PressenwerkzeugPress tool
103103
Kohlenstoffaser-verstärkte Kunststoff-ProfilplatteCarbon fiber reinforced plastic profile plate
104104
PlattenwärmeübertragerPlate heat exchangers

Claims (13)

Flächiges Kohlenstofffaser-basiertes Kunststoffhalbzeug mit einer Länge und einer Breite, umfassend eine Polymermatrix und darin im Wesentlichen in Richtung der Länge des Kunststoffhalbzeugs ausgerichtete Kohlenstofffasern, die eine Wärmeleitfähigkeit in Faserrichtung von mindestens 300 W/m K besitzen.A sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product having a length and a width, comprising a polymer matrix and aligned therein substantially in the direction of the length of the plastic semi-finished carbon fibers having a thermal conductivity in the fiber direction of at least 300 W / m K. Flächiges Kohlenstofffaser-basiertes Kunststoffhalbzeug, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstoffasern ausgewählt sind aus hochmoduligen und ultrahochmoduligen Kohlenstofffasern.Sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product, according to Claim 1 , characterized in that the carbon fibers are selected from high modulus and ultra high modulus carbon fibers. Flächiges Kohlenstofffaser-basiertes Kunststoffhalbzeug, gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix aus Polypropylen, Polyethylen oder Polyamid oder deren Mischungen gebildet ist.Sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product, according to Claim 1 or 2 , characterized in that the polymer matrix is formed from polypropylene, polyethylene or polyamide or mixtures thereof. Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, die eine Länge und eine Breite besitzt, bestehend aus mindestens zwei in Längsrichtung übereinander angeordneten Lagen des flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3.Carbon fiber reinforced plastic sheet having a length and a width consisting of at least two longitudinally stacked layers of the sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product according to any one of Claims 1 to 3 , Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern in der Kunststoffplatte im Wesentlichen in einem Winkel zwischen 10 ° bis 90 ° zur Plattenebene ausgerichtet sind.Carbon fiber reinforced plastic plate, according to Claim 4 , characterized in that the carbon fibers are aligned in the plastic plate substantially at an angle between 10 ° to 90 ° to the plane of the plate. Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, gemäß einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffplatte weiterhin Steifigkeitsfasern umfasst.Carbon fiber reinforced plastic plate, according to one of Claims 4 or 5 , characterized in that the plastic plate further comprises stiffness fibers. Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte, gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, wobei man mindestens zwei Lagen flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, übereinander in Längsrichtung anordnet und miteinander verbindet.A method of producing a carbon fiber reinforced plastic sheet according to any one of Claims 4 to 6 in which at least two layers of sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product, according to one of Claims 1 to 3 , one above the other in the longitudinal direction and connects with each other. Verfahren, gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen des flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, derart übereinander angeordnet werden, dass die Kohlenstofffasern in der Kunststoffplatte im Wesentlichen in einem Winkel zwischen 10 ° bis 90 ° zur Plattenebene ausgerichtet sind.Method according to Claim 7 , characterized in that the layers of the sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product, according to one of Claims 1 to 3 , Are arranged one above the other so that the carbon fibers are aligned in the plastic plate substantially at an angle between 10 ° to 90 ° to the plane of the plate. Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagen des flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, mäanderförmig ausgerichtet sind und die Kohlenstofffasern in der Kunststoffplatte im Wesentlichen einen Winkel von 10 ° bis 90 ° zur Plattenebene ausbilden.Method according to one of Claims 7 or 8th , characterized in that the layers of the sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product, according to one of Claims 1 to 3 , meandering are aligned and form the carbon fibers in the plastic plate substantially at an angle of 10 ° to 90 ° to the plate plane. Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass Steifigkeitsfasern in Querrichtung zu den Lagen des flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, auf mindestens einer der Lagen vor dem Verbinden der Lagen angeordnet werden.Method according to one of Claims 7 to 9 , characterized in that stiffness fibers in the transverse direction to the layers of the sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product, according to one of Claims 1 to 3 be arranged on at least one of the layers before joining the layers. Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass man die Lagen des flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, in einer Heißpresse anordnet, komprimiert, plastifiziert und verfestigt.Method according to one of Claims 7 to 10 , characterized in that the layers of the sheet-like carbon fiber-based plastic semi-finished product, according to one of Claims 1 to 3 , arranged in a hot press, compressed, plasticized and solidified. Heißpresse, zur Herstellung einer Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte, gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, welche Steifigkeitsfaserführungen (9, 10) und Faserspulen (14, 17) aufweist.Hot press, for producing a carbon fiber reinforced plastic plate, according to one of Claims 4 to 6 comprising stiffness fiber guides (9, 10) and fiber coils (14, 17). Plattenwärmeübertrager, in welchem Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatten, gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, angeordnet sind.Plate heat exchanger, in which carbon fiber reinforced plastic plates, according to one of Claims 4 to 6 , are arranged.
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