CN109843577A - 双层部件、用于制造双层部件的方法和具有多个双层部件的热机 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种双层部件(1)，所述双层部件具有第一层(2)和第二层(3)，其中所述第一层和所述第二层(2、3)彼此连接，其中所述第一层和所述第二层(2、3)具有不同的热膨胀系数，其中所述第一层(2)包括第一塑料，并且所述第二层(3)包括第二塑料或碳纤维，其中所述双层部件(1)在热量的影响下能够可逆地变形。所述双层部件(1)的改进在于，所述双层部件(1)可以插入热机(4)中，其中所述双层部件(1)的厚度至少为0.1mm，其中所述双层部件(1)的厚度为5cm或小于5cm。

Description

双层部件、用于制造双层部件的方法和具有多个双层部件的 热机
本发明涉及具有独立权利要求前序部分的特征的双层部件、制造双层部件的方法，以及热机。
双层部件具有第一层和第二层，这两层结合在一起。这两层具有不同的热膨胀系数。热膨胀系数表示物质的长度在特定温度变化时如何变化。两层均由塑料材料制成。其特征在于，所述两个层具有不同的热膨胀系数，双层部件在热量的影响下的变形是可逆的，如例如从双金属条(长条)中已知的。双层部件显示出双金属效应。已知各种双层部件，其用于遮蔽。
从通用EP 0369080 A1中，已知一种由自卷材料制成的塑料片形式的双层部件。所述塑料片由具有不同膨胀特性的两个层组成。片在基态下处于卷绕状态。双层材料由层压到铝箔的一片聚乙烯组成，所述铝箔已沉积在拉伸的聚乙烯薄膜上。将第一层塑料材料加热和拉伸，并且施加到未拉伸的层。
所描述的通用型双层部件和所述制造方法的缺点在于，这种双层部件的范围基本上限于遮蔽。这种薄膜的厚度特别是在微米范围内。所述双层部件在热变化时仅产生很小的力，虽然足以卷曲，但不能进一步使用这种双金属效应。
例如从DE 196 29 237 C2中已知更多用于遮蔽的双层部件。这里，已知用于部件的温度依赖性遮蔽的双层装置，特别是太阳能收集器、窗户等。这里，使用单轴拉伸的塑料薄膜、未拉伸的薄膜和绝缘层。单轴拉伸的塑料薄膜在拉伸的方向上具有的热膨胀系数，与另一薄膜在拉伸方向上的线性膨胀系数大不相同。特别地，单轴拉伸的聚合物薄膜与铝箔组合用作内薄膜。
从US 3,430,441和FR854 030中已知一种轮形式的热机。所述轮具有若干辐条，这些辐条由双金属条形式的双层部件形成。
从DE 26 17 577中已知一种覆盖物，所述覆盖物的形式为透明幅材以及在所述幅材一侧上布置的多个板条。可以改变表面与幅材与薄片平面之间的角度。鳍片是柔性的并且由热塑性材料构成，其中板条由若干层组成。这些层具有不同的热膨胀系数。在太阳辐射而成高温下，板条改变形状。板条由聚氯乙烯(PVC)制成。
从DE 27 09 207 A1中已知一种由闭孔软泡沫塑料板制成的热敏百叶帘，其中通过切口将所述板分成薄片。由此形成的薄片在一些表面上层压有柔性材料的片，所述材料具有尽可能低的热膨胀系数。软泡沫片可以是泡沫聚乙烯。层压片由钢制成。
本发明的目的是改进通用型双层部件。
所述目的通过具有权利要求1的特征的双层装置解决。
双层部件可用于热机，其中双层部件的厚度为至少0.1mm，优选0.5mm。厚度优选不小于0.5mm且不大于5cm，特别是不大于1cm，优选不大于5mm。条越薄，弯曲越大，但力越小。利用双层部件，可以以具有非常高的成本效益的方式构建热机，双层部件可以在发动机中产生足够大的力。双层装置的宽度对弯曲的幅度没有影响，而是对由双层部件产生的力具有影响。双层部件越宽，力越大。优选地，双层部件的宽度在1cm至50cm之间，特别是在1cm至30cm之间。如果需要构造更大的热机，则可能需要更大的宽度。在特别优选的实施方式中，设定热机的尺寸使得双层部件具有1cm-2cm的宽度。
双层部件的长度也影响弯曲。双层部件越长，弯曲越大，并且可以从双层部件施加的力越大。双层部件的长度优选在5cm至100cm之间。在特别优选的实施方式中，长度在10cm至20cm之间。
在特别优选的实施方式中，双层部件为条形。条的横截面特别是矩形。明显地，条的长度比宽度大。宽度优选大于厚度。长度与宽度与厚度的确切比率是解释使用情况的问题。
使用具有两层塑料的双层部件具有以下优点：所述双层部件可以工作的温度范围是非常有用的。可使用的温度范围可以特别是在-20℃至+40℃之间。连续使用的最高温度低于相应塑料的熔化温度，即低于维卡软化温度约15度。
双层部件优选形成为二聚物条，其工作与双金属条类似。
可以制造所述层的材料的示例是例如聚乙烯，特别是HDPE。聚乙烯是世界上最广泛制造的塑料之一，因此成本低。一吨HDPE的成本约为1600.00欧元。因此，制造条的成本非常低。尺寸为一平方米的太阳能电池成本约为200.00欧元。因此，太阳能电池的效率大于百分之10。尽管具有双层部件的合适的热机的效率比太阳能电池低，但其成本仅为太阳能电池的成本的一小部分。所述成本显著低于太阳能电池的成本。HDPE的熔化温度为130度，而维卡软化温度为105度。一层可以由拉伸和退火的HDPE制成，而另一层由定向HDPE制成。HDPE的热导率为0.4瓦每开尔文米。例如，厚度为1mm且宽度为1cm、长度为10cm的二聚物条，从而面积为10cm2，那么，热导率为0.4瓦每开尔文。因此，假设工作温度差约为20开尔文，每条的热传导为8瓦或8焦耳每秒。HDPE的热容量为1.9焦耳每克开尔文。
所使用的聚乙烯具有大于0.955g/cm3的高密度和/或小于每1000个碳原子1.3个支链的低支化度。这具有的优点是，可以在层中实现特别剧烈的热膨胀系数变化。HDPE的密度更优选为0.963克每cm3或更高。优选地，聚乙烯具有每1000个碳原子1个支链。至于HDPE，例如，可以优选地使用来自英力士(Ineos)的Rigidex HD5502S。所述HDPE的密度为0.955克每cm3，其中支化度为每1000个碳原子1.3个支链。可替代地，可以使用英力士生产的Rigidex HD6007S，其密度为0.962g/cm3，并且支化度小于每1000个碳原子0.5个支链。
所期望的是，双层部件具有高热导率，使得热机具有高转数，因为条的冷却和加热与转数直接相关。
在详细描述热机之前，首先更详细地讨论双层部件的制造。
在优选的实施方式中，这些层由两条高密度聚乙烯(HDPE)制成，所述两条高密度聚乙烯具有非常不同的膨胀系数。然后将两个条结合在一起以形成对应的双层部件。HDPE的特殊性质特别有用。HDPE可以具有正和负的热膨胀系数，因此特别合适。为了获得所期望的性质，必须拉伸HDPE。为此，首先制备各向同性样品。这可以通过在远高于熔化温度下进行挤出或通过在模具中熔化粒料来完成。HDPE的熔点约为130度。
为了拉伸，聚乙烯可以以肩棒的形式挤出或按压，然后被拉伸。拉伸可以以八倍拉伸系数来完成。这意味着拉伸后，肩杆或挤出的股线的长度要长8倍。在拉伸时，注意内含物和颈部非常重要。在拉伸过程中直径减小到约1/3。密度也迅速降低至诸如0.8克每cm3的值。为了增加密度，可以在高压釜中以5600巴处理样品10分钟。然而，然后获得的线性膨胀系数与压力处理无关，但弹性模量也会增大。通过拉伸和压力处理，弹性模量都会增大。对于双金属替代材料，因为机械应力可以相对较高，而高弹性模量可以对其进行补偿，期望使用较高的弹性模量。因此获得的条应具有约-24×10-6每开尔文的线性膨胀系数，所以具有负的线性膨胀系数，因此当它们加热时一起拉。在-20度至+40度的温度范围内，该过程是可逆的。拉伸的样品的线性膨胀系数为负，并且随温度升高负的更多。为了获得具有特别高的线性膨胀系数的条，必须将条退火至恰好低于熔化温度。这可以获得+160×10-6每开尔文的线性膨胀系数。当拉伸的HDPE层在恰好低于熔化温度退火时，这导致最大热膨胀系数。因此，取决于加工工艺，聚乙烯可以具有不同的热膨胀系数，尽管其在化学上仍然是同一物质。
接下来，将这两条组合在一起以形成双层部件。为此，可以胶合这两条。所述条可以在接触表面上完全胶合或仅在接触的端部处胶合。可以用熔融塑料完成结合。所述条的替代连接方法是铆接、焊接和轧制。简化了两个HDPE条的连接，因为两个部件都由聚乙烯构成。
替代塑料材料可以是(乙烯/乙酸乙烯酯共聚物)EVA，其线性膨胀系数在25×10-41/K至200×10-6 1/K之间。可替代地，可以使用线性膨胀系数为210×10-6 1/K的线性聚氨酯。还可以想到的是，使用线性膨胀系数为95×10-6 1/K的聚酰胺6，或线性膨胀系数为260×10-6 1/K的高密度聚乙烯。此外，可以想到的是，使用尼龙或线性膨胀系数为16×10-6 1/K的尼龙。
在一个实施方式中，存在碳纤维层，而另一层由聚酰胺或尼龙制成。这也使得可以以合理的成本和强的双金属产生效果。聚酰胺纤维和碳纤维具有化学相似性，因此可以很好地彼此连接。工作温度可以高得多。例如，工作温度可以不超过200度。碳纤维可用于特别是以碳纤维粗纱的形式制备双层部件。优选的实施方式包括一层聚酰胺12。所述层连接到一层单向碳纤维粗纱。
为了提高双层部件的热导率，优选地，至少一部分具有石墨烯作为添加剂。由此，双层部件在被加热时更快地改变其形状，因此增加了热机的功率。石墨烯的比例可以特别地在层的0.1％的质量至80％的质量之间，特别地在层的1％的质量至60％的质量之间。特别地，利用一层具有额外的石墨烯部分的聚酰胺，特别是聚酰胺12，与一层单向碳纤维粗纱一起，可以制造对应的双层部件。
还可以想到，使用具有不同热膨胀系数的两层聚酰胺。
在一个实施方式中，使用一层聚对苯二甲酸丁二醇酯。由于聚对苯二甲酸丁二醇酯更耐冲击并且更耐热，聚对苯二甲酸丁二醇酯比聚酰胺更好。由此增加了双层部件的使用寿命。在较高的温度和较高的E-模量下，除了由于可能的较高温差而提高的效率之外，在热机中，在采用聚对苯二甲酸丁二醇酯的情况下功率更高。另一层可以由单向碳纤维粗纱形成。所述层还可以包括聚对苯二甲酸丁二醇酯，并且用一部分石墨烯增加热导率。石墨烯部分介于0.1％的质量至80％的质量之间，特别是1％的质量至60％的质量之间。
热机包括多个双层部件。热机包括轮、轮毂和多个辐条。辐条、轮和轮毂连接在一起。所述辐条至少部分地设计为双层部件。
所述辐条连结到轮毂和轮，使得它们仍然可以移动，而不会阻碍二聚物效应。所述辐条优选地沿周向均匀地间隔开。
所述辐条或双层部件不需要在直线上或径向方向上，但可以在一个旋转方向上弯曲地布置。轮的一侧是冷区，另一侧是加热区。这导致双层部件在热量的影响下变形，由此轮毂不再与轮同心。
特别地，轮在一个方向上受到一弹簧的预应力，而轮毂在相反方向上受到另外的弹簧的预应力。功率平衡受弹簧拉紧的影响。此外，当轮直立放置时，该功率平衡可以受到重力的影响。在冷区中，双层部件膨胀，而在暖区中，双层部件收缩在一起。取决于双层部件的层的构造或布置，其也可以是相反的方式，由此双层部件在冷区中收缩而在暖区中延伸。轮被移动，然后力的中心不再与轮毂同心。为了对其进行补偿，轮然后转动，使得中心回到弹簧之间的力平衡点。因此，加热的双层部件移动到较冷区并在那里冷却。这同样适用于移动到较暖区的冷的双层部件。因此，发起加热和冷却循环以及由此的旋转运动。所述旋转运动可用于驱动发电机。以这种方式，可以产生电能。轮用于固定，以及用于较热区中的双层部件与冷区中的双层部件之间的力的传递。
热机特别地驱动异步发电机。
为了制造对应的双层部件，通过挤出来制造层中的至少一个，其中所述两个层在另外的步骤中彼此连结。可以想到，两个层都是通过挤出制造的。
在一个实施方式中，层由碳纤维粗纱形成。可以通过挤出机将另一层施加到所述碳纤维层。然后优选地加热所施加的塑料和/或所述碳纤维层，之后压缩所述塑料层和所述碳纤维层。压缩和加热可以通过拉动这两层一起通过加热块中的锥形物来进行。加热块可以是可加热的金属块，例如具有锥形物的铝块。所述锥形物可以是楔形的。
这些层彼此附接并通过熔融塑料连接。
此后，可以在进一步的加工步骤中用塑料包围端部，使得碳纤维的端部也与塑料层良好地连接。
存在多种方式来制造双层部件并设计工艺和热机。
这里参考独立专利权利要求和从属权利要求。
在下文中，分别参考附图和随附描述详细地解释本发明的优选实施方式。
在附图中：
图1是双层部件的示意性表示。
图2是热机的示意性透视图。
图3是用于制造根据图1的双层部件的挤出机的示意性透视图，以及
图4是用于制备图1中的双层部件的另一设备的示意图。
在图1中，可以看到双层部件1。双层部件1包括两层2；3。层2、3彼此全表面连接。在优选的实施方式中，层2、3均由聚乙烯构成。优选地，一层具有正的热膨胀系数，特别地，另一层具有负的或比这层更低的热膨胀系数。
因此，层2、3均由塑料构成。双层部件1也可以称为二聚物。层2可由定向聚乙烯制成，而另一层3可由发泡聚乙烯制成并回火。使用聚乙烯，特别是HDPE。
双层装置1的总层厚度，即层2、3的厚度之和优选为0.1mm或大于0.1mm，优选为0.5mm或大于0.5mm。以这种方式，可以产生足够大的力，以便在热机4(如图2所示)中使用对应的双层部件1。
热电机4具有轮毂5，多个辐条6和轮7。轮毂5连接到轴8，其中通过轴8驱动发电机(未示出)。发电机用于发电。热机4处于暖区9和冷区10中。在此，暖区和冷区之间的过渡区域由示意性的分割平面11表示。暖区和冷区优选地通过位于隔离平面中的隔热壁彼此隔离。
辐条6设计为双层部件。双层部件1，即辐条6，在热的作用下变形。双层部件1，即辐条6，更强烈地弯曲，使得轮毂5和轮7之间的径向距离在热区的热的作用下减小。轮毂5由第一弹簧12限定，并且轮7由相反方向上的第二弹簧13拉紧。弹簧12和13可以形成为弹性条，这里特别是橡皮筋。在替代实施方式中，可以想到使用弹簧，例如螺旋弹簧、板弹簧等来拉紧轮毂5的对应位置以及在相反方向上拉紧轮7的位置。可以想到的是，仅设置一个弹簧12，并且相应的另一部分，即轮7或轮毂在这里是静止的。弹簧12将轮毂5拉入冷区10中，并且弹簧13将轮7移动到暖区9中。辐条6通过加热的变形现在改变了力的平衡，使得通过轮7旋转进行了补偿运动，这可以由轴8通过发电机以电能的形式获得。这种效果实际上已经能够通过直立设置在地球的重力场中的轮7观察到，但是这里，它还由弹簧12、13支撑。来自发电厂的废热或工业中的废热很容易通过热机4转换。热机4的特征在于，辐条6的制造非常便宜，此外，辐条6在-20摄氏度至40摄氏度的温度范围内工作，其中热区和冷区之间的热差为例如20摄氏度，足以驱动热机。特别地，热机4驱动异步发电机。
在图3中，示出了制备对应层2、3的优选方法。示出了塑料挤出机14，其通过喷嘴15按压熔融树脂。喷嘴15具有矩形切口，用于制造相应的条。现在，首先将从喷嘴15出来的股线16通过风扇17且最后卷绕在辊18上。辊18的卷绕速度优选地高于股线16通过喷嘴15的进给速率，使得股线16在卷绕期间被拉伸。股线16可以8倍拉伸。盘绕的材料现在用于制造对应的双层2、3。现在另外对另一同样制造的条进行退火，以获得与另一层不同的热膨胀系数。现在这两个条材料相应地切割成条长度的材料片，并且在全表面上结合在一起。这可以通过用熔融聚乙烯结合来完成。特别地，可以使用用于连结所述两个层的熔融聚合物。
需要轻柔地进行结合，其中层的温度不会增加，从而保持退火的效果。例如，可以使用熔融的聚乙烯线。
以这种方式，可以制造特别具有成本效益的双层部件1。
可以想到，挤出塑料材料并在卷绕过程中将其拉伸，从而将塑料直接与碳纤维层连接，该碳纤维层由另一辊供应。
在图4中，示出了用于制造双层部件25的另外的制造方法。首先将具有碳纤维粗纱的碳纤维层20从辊19解绕。借助于塑料挤出机21，然后通过模具22将塑料层23施加到碳纤维层20。此后，将这两层拉动通过锥形物以加热和压缩这两层。锥形物优选地形成在可加热的金属块中。例如，可以使用具有锥形物24的可加热铝块。塑料层23和碳纤维层20在通过恢复部的同时被加热并被恢复部压缩。因此，塑料层23印刷在碳纤维层20上。由此产生了双层部件的股线25。股线25可以最初卷绕到另一辊26上。此后，可以再次解绕股线25，并且可以从股线25上切下单独的双层部件(未示出)。此后，可以在进一步的加工步骤中用塑料包围端部，使得碳纤维的端部与塑料层23良好地连接。
附图标记列表：
1 双层部件
2 层
3 层
4 热机
5 轮毂
6 辐条
7 轮
8 轴
9 暖区
10 冷区
11 分割线
12 弹簧装置
13 弹簧装置
14 塑料挤出机
15 喷嘴
16 股线
17 风扇
18 辊
19 具有碳纤维粗纱的辊
20 碳纤维层
21 塑料挤出机
22 喷嘴
23 印刷塑料层
24 用于加热和压缩两层的具有锥形物的铝块
25 双层部件的股线
26 用于卷绕的辊

Claims (17)

1.一种双层部件(1)，所述双层部件具有第一层(2)和第二层(3)，所述第一层和所述第二层(2、3)彼此连接，其中所述第一层和所述第二层(2、3)具有不同的热膨胀系数，其中所述第一层(2)由第一聚合物构成，而所述第二层(3)由第二聚合物或碳纤维构成，其中所述双层部件(1)在热量的影响下能够可逆地变形，其特征在于，所述双层部件(1)能插入热机(4)，其中所述双层部件(1)的厚度至少为0.1mm，其中所述双层部件(1)的厚度为5cm或小于5cm。
2.根据权利要求1所述的双层部件，其特征在于，所述双层部件(1)的厚度至少为0.5mm。
3.根据前述权利要求中任一项所述的双层部件，其特征在于，所述双层部件(1)的宽度在1cm至50cm之间的范围内。
4.根据前述权利要求中任一项所述的双层部件，其特征在于，所述双层部件(1)的长度在5cm至100cm之间。
5.根据前述权利要求所述的双层部件，其特征在于，所述长度在10cm至20cm之间。
6.根据前述权利要求中任一项所述的双层部件，其特征在于，所述双层部件(1)的形状为条，其中所述条的长度大于所述宽度和所述厚度。
7.根据前述权利要求中任一项所述的双层部件，其特征在于，所述层(2、3)中的至少一个由聚乙烯构成，其中所述聚乙烯的密度大于0.955g/cm3，和/或支化度小于每1000个C原子1.3个支链。
8.根据前述权利要求中任一项所述的双层部件，其特征在于，层(2)由拉伸和退火的高密度聚乙烯制成，而另一层(3)由拉伸和未退火的高密度聚乙烯制成。
9.根据前述权利要求1至7中任一项所述的双层部件，其特征在于，一层包括碳纤维。
10.根据前述权利要求1至7或9中任一项所述的双层部件，其特征在于，所述层中的至少一个包括聚酰胺。
11.根据前述权利要求1至10中任一项所述的双层部件，其特征在于，所述层中的至少一个具有作为添加剂的石墨烯。
12.一种具有根据前述权利要求中任一项所述的多个双层部件(1)的热机(4)，其特征在于，所述热机(4)包括轮毂(5)、多个辐条(6)和轮(7)，所述辐条(6)一方面与所述轮(7)连接且另一方面与所述轮毂(5)连接，其中所述辐条(6)由双层部件(1)形成。
13.根据前述权利要求所述的热机(4)，其特征在于，所述轮毂(5)和/或所述轮(7)在沿着所述旋转方向的径向上由弹簧(12、13)在功能上有效连接。通过弹簧装置在功能上的作用，将轮毂或轮沿着旋转方向的径向拉紧。
14.一种用于制造根据前述权利要求中任一项所述的双层部件的方法，其特征在于，通过挤出制造两个层(2、3)中的至少一个，其中所述两个层在另外的步骤中彼此连结。
15.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述两个层(2、3)结合在一起。
16.根据前述权利要求所述的方法，其特征在于，所述两个层(2、3)通过熔融塑料连接。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其特征在于，通过挤出机(21)将塑料层(23)施加到碳纤维层(20)，其中加热所施加的所述塑料层(23)和/或所述碳纤维层(20)，由此压缩所述塑料层(23)和所述碳纤维层(20)。
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