(57)【要約】  本発明は、黒鉛出発材料を膨張させることによって膨張黒鉛からなる潜熱蓄熱器を製造する方法に関する。本発明は、潜熱蓄熱器の雌モールドに少なくとも区画において対応するモールドに黒鉛出発材料を導入し、次いで、黒鉛出発材料を閉じたモールド中で膨張させることを特徴とする。【選択図】  なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
黒鉛出発材料の膨張によって製造された成形体に相変化材料を導入する、潜熱蓄熱器を製造する方法であって、以下のプロセス工程
−黒鉛出発材料をモールドに導入し、
−モールドを閉じ、
−熱を導入することによって黒鉛出発材料を膨張させ、ここで黒鉛出発材料を導入する前または後にモールドを加熱するか、または膨張のために必要なエネルギーを黒鉛出発材料に直接導入し、
−成形体の形成後に相変化材料を導入する
を特徴とする方法。
【請求項２】
使用する前記モールドが、特に炭化ケイ素、黒鉛、セラミック、焼結金属からなる、またはこれらを含む多孔質のモールドであることを特徴とする、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
モールドとして、通気口を有する、および／または多孔質もしくは穿孔材料、たとえば銅のような穿孔金属からなるモールドを用いることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。
【請求項４】
前記黒鉛出発材料を受け入れる、その閉じた内部空間が、製造すべき成形体の雌モールドに対応するモールドを使用することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項５】
前記相変化材料を、無加圧浸透、特に毛管浸透によって、前記成形体に導入することを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項６】
前記成形体を、相変化材料が導入される凹部を有するように製造することを特徴とする、請求項１〜５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項７】
前記成形体を、液体の相変化材料中に貯蔵する、および／または浮かせた状態で相変化材料と接触させ、前記相変化材料を導入することを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項８】
０．１ｇ／ｍｌから０．９ｇ／ｍｌ、特に０．３ｇ／ｍｌから０．８ｇ／ｍｌの間のかさ密度を有する黒鉛塩を、黒鉛出発材料として前記モールドに導入することを特徴とする、請求項１〜７のいずれか１項に記載の方法。
【請求項９】
特に請求項１〜８のいずれか１項に記載の方法によって製造される、相変化材料で浸透させた成形体からなる潜熱蓄熱器であって、相変化材料を含まない前記成形体は６４％から９９．４％の気孔率を有し、成形体における膨張黒鉛出発材料の体積分率：相変化材料の体積分率が１：２から１：１０の間である潜熱蓄熱器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、黒鉛出発材料の膨張によって製造される成形体に相変化材料を導入する、潜熱蓄熱器を製造する方法に関する。本発明は潜熱蓄熱器も対象とする。
【背景技術】
【０００２】
潜熱蓄熱器は蓄熱媒体の熱力学的な状態変化を利用し、主として固体／液体およびその逆で相転移が利用される。
【０００３】
特許文献１は、相変化材料と膨張黒鉛材料との混合物の等方加圧によって製造された成形体を有する潜熱蓄熱器を開示している。
【０００４】
最適な効果を達成するために、特許文献２または特許文献３から明らかなように、相変化材料と膨張黒鉛との多くの混合物が知られている。
【０００５】
潜熱蓄熱器を製造するために、特許文献３では、相変化材料と粒子状の膨張黒鉛からなる混合物を用い、これをプレスして成形体にする。
【０００６】
特許文献４では、潜熱蓄熱器を製造するために、プレスした黒鉛プレートを用い、これを相変化材料で含浸させている。
【０００７】
通常、最初に膨張黒鉛をプレスして成形体にし、その後に相変化材料で含浸させる。しかし、最初に膨張黒鉛と相変化材料を混合し、その後に、得られた混合物を圧力下で成形して成形体にしてもよい（たとえば特許文献３参照）。
【０００８】
複雑なジオメトリーのこうした膨張成形体を製造することは、しばしば問題となる。
【０００９】
膨張黒鉛材料をプレスすることで、膨張黒鉛材料における気孔体積やチャンネル経路が変化し、その結果、成形後に相変化材料による浸透が所要または所望の程度に生じないという欠点がありうる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】欧州特許第１８３７６１７Ｂ１号明細書
【特許文献２】ドイツ特許出願公開第１０２５０２４９Ａ１号明細書
【特許文献３】欧州特許第１４１６０２７Ｂ１号明細書
【特許文献４】国際公開２０１３／１５３０６７Ａ１号パンフレット
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明の課題は、上述した種類の方法および潜熱蓄熱器を改良し、製造すべき成形体の所望のジオメトリーを容易に提供できるようにすることである。別の態様では、浸透が成形によって悪影響を受けないようにする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
この課題を解決するために、以下の事項が実質的に提案されている。
【００１３】
−黒鉛出発材料をモールドに導入し、
−モールドを閉じ、
−熱を導入することによって黒鉛出発材料を膨張させ、ここで黒鉛出発材料を導入する前または後にモールドを加熱するか、または膨張のために必要なエネルギーを黒鉛出発材料に直接導入し、
−成形体の形成後に相変化材料を導入する。
【００１４】
公知となっている従来技術とは異なり、膨張すべき黒鉛出発材料を、成形体の形状を規定するモールドの中で膨張させる。したがって、黒鉛出発材料、特に黒鉛塩の膨張後に、圧力によって達成される成形を行う必要はなく、その結果、気孔率および／または膨張材料中で延びるチャンネルについて変化が生じない。このことは、潜熱蓄熱器の製造時における相変化材料の浸透に関して利点をもたらす。
【００１５】
このことは、従来技術と比較してより均等な圧縮と均一な気孔構造をもたらすため、特に、断面にかなりの変化がある構成要素にとって利点がある。
【００１６】
膨張すべき黒鉛出発材料に所要の熱を導入するために、黒鉛出発材料を導入する前にモールドを加熱することができる。
【００１７】
別の可能性は、黒鉛出発材料をモールドに導入し、その後に黒鉛出発材料を膨張させるために必要な温度までモールドを加熱することである。
【００１８】
代わりにまたは追加で、その膨張のために必要なエネルギーを黒鉛出発材料に直接的に導入してもよい。
【００１９】
特に、モールドを、電気加熱炉、ガス加熱炉、またはオイル加熱炉に入れてもよい。誘導源による加熱も可能である。
【００２０】
膨張のために必要なエネルギーを黒鉛出発材料に直接的に導入すべきである場合、マイクロ波による加熱を行ってもよい。
【００２１】
本発明のさらなる変形例においては、モールドとして、特に炭化ケイ素、黒鉛、セラミック、焼結金属からなる、またはこれらを含む多孔質の形態のモールドを使用することを想定している。通気口を有する、および／または多孔質もしくは穿孔した材料、たとえば銅などの金属からなるモールドを使用してもよい。
【００２２】
このように、黒鉛出発材料を加熱すべき温度まで耐性のある、あらゆる材料が適している。１，０００℃までの温度が容易に可能である。
【００２３】
閉気孔材料をモールドに用いる場合、膨張時に生じるガスを排出できるようにするために貫通孔を導入する。このような孔の断面は、出発材料の粒子の粒径よりも小さい。
【００２４】
成形体を形成した後に相変化材料を導入することができる。この場合、無加圧の毛管浸透を与えることが好ましく、これは真空加圧法を採用する従来技術に対して利点を示し、残渣を残すことなく相変化材料を成形体に引き込める可能性がある。これに対して、真空加圧法では成形体の表面に残渣が残ることがわかっており、これを除去しなければならない。無加圧浸透（毛管浸透）では粘着力と毛管力が利用され、それによって液体の含浸剤がそれ自体で多孔質体内へ浸透する。
【００２５】
たとえば、固体の形態にある含浸剤を含浸すべき成形体の上に載せて、加熱することができる。含浸剤は溶融して、成形体中に浸透する。
【００２６】
強調すべきさらなる変形例においては、凹部を有する成形体を製造し、その凹部の中に相変化材料を導入し、その後に相変化材料が成形体中に浸透するようにする。
【００２７】
相変化材料を注入するために、成形体を液体の相変化材料中に貯蔵する、および／または浮かせて相変化材料と接触させることもできる。
【００２８】
特にワックスなどの相変化材料を成形体の凹部に充填させると、正確な計量ができる。
【００２９】
さらに、成形体への浸透または含浸を連続炉で行うことができ、その結果、高い処理量を実現できる。
【００３０】
連続法で、すなわち連続炉を使用して、成形体を製造することもできる。
【００３１】
モールドからの成形体の取出し後にろ過を行う。
【００３２】
黒鉛塩の形態にある黒鉛出発材料として、０．１ｇ／ｍｌから０．９ｇ／ｍｌ、特に０．３ｇ／ｍｌから０．８ｇ／ｍｌの間のかさ密度を有するものが用いることが好ましく、０．７ｇ／ｍｌの範囲内のかさ密度が好ましい。
【００３３】
出発材料の粒径はたとえば次の分布を有していてもよい。Ｄ１０＝１３０μｍ、Ｄ５０＝２４０μｍ、Ｄ９０＝３６０μｍ。
【００３４】
粒子の８０％が１５０μｍよりも小さい寸法を有している場合にも、良好な結果を得ることができる。
【００３５】
特に、黒鉛塩の粒径はＤ５０＝５０μｍから４００μｍであることを想定している。
【００３６】
本発明の教示によれば、モールド自体が成形体の所望のジオメトリーを規定するため、膨張後の加工をまったく必要とせずに、所望のジオメトリーの成形体を容易に製造できる。こうして、ジオメトリー的に複雑な成形体を製造することができ、これは従来技術によって提供されなかった可能性である。
【００３７】
本発明は、成形体の製造と独立して、成形体の無加圧浸透（毛管浸透）も提案しており、ここでは成形体の凹部への計量された導入または浮かせた状態での相変化材料との接触を特に強調すべきである。
【００３８】
本発明はさらに、特に上述したプロセス工程に基づいて製造された、相変化材料で浸透された成形体からなる潜熱蓄熱器に関する。これに関連して、特に黒鉛出発材料を膨張させるモールドによる成形および無加圧の毛管浸透を特に強調すべきである。
【００３９】
特に、相変化材料を含まない成形体は６４％から９９．４％の気孔率を有することを想定している。
【００４０】
さらに、成形体は０．０１４ｇ／ｃｍ３から０．７９ｇ／ｃｍ３の間の見かけ密度を有するのがよい。
【００４１】
成形体において、膨張黒鉛出発材料の体積分率：相変化材料の体積分率は１：２から１：１０の間であるのがよい。
【００４２】
本発明のさらなる詳細、利点および特徴は、特許請求の範囲、その中で個々におよび／または組み合わせて記載された特徴だけでなく、図面で規定された好ましい実施例の以下の説明からも明らかになるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００４３】
【図１】成形体を製造するためのモールドを示す模式図である。
【図２】成形体を製造するための別のモールドを示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４４】
図１はモールド１０の模式図を示し、それによって潜熱蓄熱器のための膨張黒鉛塩からなる成形体を製造しようとするものであり、モールド１０の内部空間１２が成形体の外部ジオメトリーを規定する。
【００４５】
本実施形態では、モールド１２は、ボトム部品１４と、カバー部品１６と、これらの間に延びる、たとえば中空円筒区画でありうる周壁１８とからなる。これらと関わりなく、ボトム部品１４、カバー部品１６、および周壁１８は、製造すべき成形部品の形状に応じて設計した所望の内部ジオメトリーを有することができる。
【００４６】
内部空間１２に規定量の黒鉛塩を投入する。
【００４７】
黒鉛塩を製造するために、通常、良好に配列された高結晶性の天然片状黒鉛を用いる。これが挿入剤によって黒鉛塩へと変換される。黒鉛塩は熱衝撃処理によって膨張または膨満する。このプロセスの間に挿入剤が抜ける。黒鉛片は４００倍までその体積を増加させる。
【００４８】
この処理は酸を用いて行い、硫酸基または硝酸基のような酸基を黒鉛層の間に挿入させる。
【００４９】
内部空間１２を閉じた後、必要な熱を黒鉛塩に導入し、黒鉛塩が膨張できるようにするために、モールド１０をたとえば炉の中に入れ、ここで膨張黒鉛塩がモールド１０の内部空間１２全体を充填する。
【００５０】
図２はモールド１００の別の模式図を示し、これはカップ状のボトム部品１０２とアッパー部品１０４からなる。この断面図が明示しているように、ボトム部品１０２とアッパー部品１０４は、製造される膨張黒鉛の形状を規定する、Ｕ型の断面を有する内部空間１１２を規定している。成形部品の断面が、ボトム領域と比較してアッパーエッジ領域でかなり縮小しているという事実に関わりなく、モールド１００に導入すべき黒鉛塩の膨張の間に成形が起こり、および従来技術のように加圧下の膨張後に成形が達成されるのではない、本発明の教示に基づいて、膨張成形体の均等な圧縮と均一な気孔構造が達成される。
【００５１】
膨張成形体は、粘着力と機械的なアンカーリング（インターロッキング）によって膨張粒子が互いに粘着するため、寸法的に安定なままである。
【００５２】
従来技術に従って図２に示したものに相当する形状を製造しようとすれば、ボトム領域と比較した断面の縮小およびその結果として働く異なる圧力により、アッパーエッジ領域において気孔構造およびチャンネル断面に関して欠点が生じることになり、このことはひいては成形体に相変化材料で浸透させるときに不利益な影響がある。
【００５３】
モールド１０または１００に熱を導入するために、電気加熱炉、ガス加熱炉、またはオイル加熱炉を用いることができる。誘導炉も考慮の対象となる。別の可能性は、黒鉛塩をマイクロ波によって加熱することである。
【００５４】
内部空間１２，１１２に導入すべき黒鉛塩の量は、一方で達成すべき所望の気孔率に依存し、他方で膨張（膨満とも呼ばれる）が起こる温度に依存する。
【００５５】
モールド１０，１００の材料は、推進ガスが膨張の間に抜けることを保証するように選択すべきである。好適な材料は、本質的に多孔質の材料、たとえば炭化ケイ素、黒鉛、セラミックまたは焼結金属である。しかし、穿孔金属も考慮の対象となる。貫通孔は黒鉛塩の粒径より小さいことが必須である。
【００５６】
用いる黒鉛塩は、たとえば０．１ｇ／ｍｌから０．９ｇ／ｍｌの間のかさ密度を有する黒鉛塩でありうる。黒鉛塩の粒径分布は、たとえばＤ１０＝１３０μｍ、Ｄ５０＝２４０μｍおよびＤ９０＝３６０μｍでありうる。しかし、これらの値は保護の点で限定していると理解すべきではない。
【００５７】
また、粒子の８０％が１５０μｍより小さい寸法を有していると、良好な結果を達成できる。
【００５８】
特に工業的な製造では、成形体を連続法で製造するのがよい。そのために、相応するモールドを連続炉に送ってもよい。
【００５９】
黒鉛塩を膨張させ、モールド１０，１００を冷却した後、上述したように内部空間１２，１１２の内部ジオメトリーによって規定された、規定のジオメトリーを有する成形体を取り出す。次いで、成形体に好ましくは無加圧の毛管浸透によって相変化材料（ＰＣＭ）を含浸または浸透させる。成形部品に固体の相変化材料を付着させ、その後、これをたとえば１５０℃までの温度で溶融して浸透させてもよい。しかし、成形体を液体相変化材料浴に浸漬させるか、またはそこに浮かせるように設置して、無加圧の毛管浸透をさせることもできる。
【００６０】
好適な相変化材料は、特に６０℃から３００℃の間、特に８０℃から１５０℃の間の温度範囲で相変化を可能にする材料を含む。好ましい材料はワックスたとえばパラフィン、砂糖、アルコール、無機塩または塩水和物である。
【００６１】
相変化材料：膨張黒鉛の比は１０：１から２：１がよい。
【００６２】
膨張黒鉛の見かけ密度は０．０１４ｇ／ｃｍ３から０．７９ｇ／ｃｍ３の間であるのがよい。見かけ密度は温度依存である。たとえば６００℃の温度では、黒鉛塩の粒子またはフレークは体積で１００倍まで増加することができ、１，０００℃の温度では４００倍まで増加することができる。
【００６３】
抜けるガスにより、２０％から２２％の間の黒鉛材料の質量損失を生じることがあり、より低い値、たとえば１０％もありうる。
【００６４】
以下、成形体の最終気孔率が黒鉛塩の量にどのように依存するかを、実施例によって説明する。
【００６５】
５０ｍｌの内部体積をもつモールドに５ｇの黒鉛塩を充填する。これを６００℃の温度で１５分間保持してから、冷却後に離型する。測定は、この成形体が０．０８ｇ／ｃｍ３の密度と９６．５％の気孔率を有することを示した。
【００６６】
第２の実験では、５０ｍｌの内部体積をもつ同じモールドに１２ｇの黒鉛塩を充填する。これを同様に６００℃で１５分間加熱する。冷却と離型の後、成形体は０．１９ｇ／ｃｍ３の密度と９１．５％の気孔率を有している。このような成形体について圧縮強度を試験した。０．９７Ｎ／ｍｍ２の値を得た。
【図１】
2019508662.tif 000002
【図２】
2019508662.tif 000003
【国際調査報告】
2019508662.tif 000004
2019508662.tif 000005
2019508662.tif 000006
2019508662.tif 000007