DE102006037010A1 - Verfahren zum Herstellen einer Adsorberstruktur - Google Patents

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Absorberstruktur. Die Erfindung zeichnet sich durch die folgenden Schritte aus: a) eine gut wärmeleitende Tragstruktur (21) wird mit Kunstharz (34) ausgegeossen; b) das Kunstharz (34) wird ausgehärtet; c) die von ausgehärtetem Kunstharz (34) umgebene Tragstruktur (21) wird in situ thermisch behandelt, um das Kunstharz (34) zu vernetzen, zu carbonisieren und zu aktivieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer Adsorberstruktur.
  • Herkömmliche Adsorberstrukturen werden zum Beispiel als Schichten durch Aufbringen von Aktivkohle-Binder-Gemischen auf eine Substratoberfläche hergestellt oder es werden durch Extrusion Formkörper daraus hergestellt. Diese Gemische werden dann thermisch behandelt, um eine sorptionsaktive Struktur zu erhalten.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren bereitzustellen, mit dem Adsorberstrukturen für Adsorptionsklimaanlagen kostengünstig hergestellt werden können, die eine große Wärmeleitfähigkeit sowie mechanische Beständigkeit aufweisen.
  • Die Aufgabe ist bei einem Verfahren zum Herstellen einer Adsorberstruktur durch die folgenden Schritte gelöst: Eine gut wärmeleitende Tragstruktur wird mit Kunstharz ausgegossen; das Kunstharz wird ausgehärtet; die von ausgehärtetem Kunstharz umgebene Tragstruktur wird in situ thermisch und/oder chemisch behandelt, um das Kunstharz zu vernetzen, zu carbonisieren und zu aktivieren. Beim Vernetzen werden im Kunstharz enthaltene lineare oder verzweigte Makromoleküle gleicher oder unterschiedlicher chemischer Identität miteinander zu dreidimensionalen Netzwerken verknüpft.
  • Beim Carbonisieren werden organische Substanzen in Kohlenstoff oder Carbonate umgewandelt. Beim Aktivieren wird durch Teiloxidation von unvollständig abgesättigten Kohlenstoffteilen eine sehr große innere Oberfläche gebildet. Das Aktivieren kann durch eine definierte Temperaturerhöhung oder durch Zusatz von Aktivatoren erfolgen. Das erfindungsgemäße Verfahren hat unter anderem den Vorteil, dass auf einfache Art und Weise eine innere Hohlraumstruktur mit einer großen aktiven Oberfläche geschaffen werden kann. Die Tragstruktur, die auch als Trägerstruktur bezeichnet wird, lässt sich vollkommen mit Kunstharz ausgießen. Die daraus nach einer thermischen und/oder chemischen Behandlung gewonnene Aktivkohle bildet einen festen Verbund mit der Tragstruktur. Dadurch kann sicher verhindert werden, dass sich die Aktivkohlestruktur bei mechanischer Beanspruchung von der Tragstruktur löst. Durch die in situ-Erzeugung der Aktivkohle in der Trägerstruktur aus Kunstharz kann ein sehr guter Wärmekontakt von der Adsorberstruktur auf die vorzugsweise metallische Trägerstruktur realisiert werden.
  • In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die Tragstruktur bereits vor dem Ausgießen mit der Wand eines Wärmeübertragers wärmeleitend verbunden.
  • Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung der von ausgehärtetem Kunstharz umgebenen Tragstruktur in einer Inertgasatmosphäre erfolgt. Die thermische Behandlung erfolgt zum Beispiel in einem Inertgasstrom.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunstharz Additive in flüssiger oder partikulärer Form zugesetzt werden. Die Additive dienen vorzugsweise zur besseren Ausbildung einer Porenstruktur in dem ausgehärteten Kunstharz oder zur Verbesserung der Wärmeleiteigenschaften.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass beim Aktivierungsprozess relativ stark oxidierende Gasanteile zugesetzt werden. Durch die stärker oxidierenden Anteile in der für die Aktivierung erforderlichen Gasatmosphäre kann die Temperatur so weit abgesenkt werden, dass die Schmelztemperatur der Tragstruktur bei der thermischen Behandlung nicht überschritten wird. Darüber hinaus kann dadurch die zum Aktivieren benötigte Zeit verkürzt werden.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass als Kunstharz Phenolharz verwendet wird. Die Verwendung von Phenolharz hat den Vorteil, dass es eine sehr große Kohlenstoffausbeute aufweist.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische, keramische, kohlenstoffhaltige und/oder graphitische Tragstruktur verwendet wird. Die Tragstruktur liefert eine ausreichende mechanische Stabilität und eine gute Wärmeleitfähigkeit. Die keramische Tragstruktur weist vorzugsweise eine schwammartige Struktur auf und umfasst zum Beispiel lötbares Aluminiumnitrid.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur wärmeleitend mit einer Metalloberfläche verbunden wird. Die Verbindung kann durch Löten, Schweißen und/oder Kleben erfolgen, wobei dieser Prozessschritt vorzugsweise vor dem Ausgießen mit Kunstharz erfolgt.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Tragstruktur aus einem plissierten Metallgitter, Streckgitter, Lochfolie, Metallgewebe oder Metallgestrick gebildet wird. Das Metallgitter, -gewebe oder -gestrick ist vorzugsweise aus Metalldraht gebildet.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Tragstruktur aus geblähtem Graphit gebildet wird. Vorzugsweise wird zur Herstellung der wärmeleitenden Tragstruktur eine offenporige Schaummatrix aus geblähtem Graphit verwendet.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das Graphit isotrop expandiert wird. Dadurch erhält man ein gleichförmiges Wärmeleitvermögen in allen drei Raumrichtungen.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass das expandierte Graphit mit einem Kunstharz imprägniert wird, um eine Matrix zu bilden. Bei dem Kunstharz handelt es sich vorzugsweise um Phenolharz.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunstharz Kohlenstoff-Nanoröhrchen zugemischt werden, um eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit zu erhalten.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix bei Temperaturen unter 1000 Grad, vorzugsweise unter 500 Grad Celsius, carbonisiert und/oder aktiviert wird, um die Adsorberstruktur zu bilden.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix mit Säure carbonisiert und/oder aktiviert wird, um die Adsorberstruktur zu bilden. Die Säure verhindert, dass die Graphitstruktur thermisch geschädigt wird.
  • Weitere bevorzugte Ausführungsbeispiele des Verfahrens sind dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorberstruktur auf eine gewünschte Dicke zusammengepresst und/oder auf eine metallische Trägerplatte aufgeklebt wird.
  • Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufkleben der Adsorberstruktur ein wärmeleitender Kleber, vorzugsweise auf Epoxidbasis, verwendet wird.
  • Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
  • 1 eine perspektivische Darstellung einer wärmeleitenden Tragstruktur;
  • 2 eine schematische Darstellung eines metallischen Substrats mit einer Tragstruktur im Schnitt;
  • 3 die Tragstruktur aus 1 beim Ausgießen mit Phenolharz und
  • 4 die ausgegossene Tragstruktur bei oder nach einer thermischen Behandlung des Phenolharzes.
  • In 1 ist eine wärmeleitende schematische Tragstruktur 1 perspektivisch dargestellt. Die wärmeleitende Tragstruktur 1 wird von einem zickzackförmigen Metallgitter 2 gebildet, das eine Vielzahl von Längsstegen 3 bis 5 aufweist, die durch Querstege 6 bis 8 miteinander verbunden sind. Das Gitter 2 weist eine Plissierhöhe 9 und eine Plissierdichte 10 auf. Die wärmeleitende Tragstruktur 1 ist aus einer gut wärmeleitenden Legierung, vorzugsweise einer Kupfer- oder Aluminiumlegierung, gebildet und stellt eine wärmeleitende Armierungsstruktur für eine in einem Folgeprozess aufzubringende Adsorberstruktur dar. Die Armierungsstruktur kann schon vor den Folgeprozessen zum Beispiel durch Löten mit einer (nicht dargestellten) Metallwand verbunden sein.
  • In 2 ist eine Tragstruktur 21 schematisch im Schnitt dargestellt, die ein Metallgitter 22 umfasst, das dem in 1 perspektivisch dargestellten Metallgitter 2 ähnelt. Das Metallgitter 22 ist wärmeleitend mit einer Metallplatte 24 verbunden. Bei der Metallplatte handelt es sich zum Beispiel um eine Wand eines Wärmeübertragers. Die Metallplatte 24 ist Teil eines Adsorptionsreaktors mit einer Fluidseite, die durch eine Fluidwand begrenzt ist. An der Fluidwand strömt auf der Fluidseite ein Fluid, wie zum Beispiel Wasser oder Luft, vorbei, das Wärme an die Fluidwand abgibt. Die Fluidwand ist vorzugsweise aus Metallblech gebildet. Bei dem Metallblech handelt es sich zum Beispiel um Aluminiumblech. Die der Fluidseite abgewandte Seite der Metallplatte 24 wird als Sorptionsseite bezeichnet. Auf der Sorptionsseite ist das Metallgitter 22 der Tragstruktur 21 angeordnet.
  • In 3 ist durch ein Gefäß 30 und zwei Tropfen 31, 32 angedeutet, dass die Tragstruktur 21 mit Phenoharz 34 ausgegossen wird. Nach Härtung des Harzes erfolgt eine thermische Behandlung im Inertgasstrom (Pyrolyse). Dabei wird das Kunstharz vernetzt, carbonisiert und aktiviert. Zur besseren Ausbildung einer Porenstruktur und/oder zur Verbesserung der Wärmeleitfähigkeit können dem Kunstharz 34 noch flüssige oder partikuläre Additive zugesetzt sein. In 4 ist angedeutet, dass durch thermische Behandlung aus dem Phenolharz (34 in 3) Aktivkohle 44 gewonnen wird, die einen festen Verbund mit der Tragstruktur 21 bildet.
  • Im Rahmen der vorliegenden Erfindung haben sich Phenolharze als besonders günstig erwiesen, da sie im Vergleich zu anderen gebräuchlichen Kunstharzen die größte Kohlenstoff-Ausbeute aufweisen. Die theoretische Kohlenstoff-Ausbeute von Phenolharzen beträgt 55 bis 70 Prozent. Demgegenüber weisen Furanharze eine theoretische Kohlenstoff-Ausbeute von 50 bis 60 Prozent, Epoxidharze 25 bis 35 Prozent und ungesättigte Polyesterharze 15 bis 25 Prozent auf.
  • Gegenüber der Herstellung von Adsorberschichten aus Aktivkohle-Binder-Gemischen durch thermisches Behandeln hat die Erfindung den Vorteil, dass die Aktivkohle in situ gebildet wird und somit keine verdampfenden Binderbestandteile bereits vorhandene Adsorptionszentren auf der Oberfläche der Aktivkohle reversibel oder irreversibel besetzen. Weiterhin bilden sich durch Schwindungsprozesse kleine Risse aus, die als Dampfkanäle für den Stofftransport von Arbeitsmittel (Sorptiv) zu den sorptionsaktiven Zentren fungieren und damit die Transportprozesse begünstigen.
  • Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel wird die Tragstruktur aus geblähtem Graphit gebildet. Dabei wird vorzugsweise eine offenporige Schaummatrix aus geblähtem Graphit verwendet. Das Graphit wird isotrop expandiert. Der expandierte Graphit wird mit einem Kunstharz, zum Beispiel Phenolharz, imprägniert. Die so gebildete Matrix wird bei Temperaturen, die kleiner als 500 Grad Celsius sind, vorzugsweise mit Säure carbonisiert beziehungsweise aktiviert. Anschließend wird die Struktur auf die gewünschte Dicke zusammengepresst. Die fertige Adsorberstruktur wird mit einem wär meleitenden Kleber, vorzugsweise auf Epoxidbasis, auf eine metallische Trägerplatte aufgeklebt. Durch die isotrope Expansion des Graphits erhält man ein gleichförmiges Wärmeleitvermögen der Struktur in alle drei Raumrichtungen. Durch die Aktivierung des Phenolharzes mit Säure wird die Graphitstruktur thermisch nicht geschädigt. Alternativ kann nach bekannten Verfahren auch ein expandierter Graphitblock mit anisotropen Wärmeleiteigenschaften hergestellt werden, der dann in Scheiben geschnitten so an der Wand des Wärmeübertragers befestigt wird, dass die Richtung mit hoher Wärmeleitfähigkeit senkrecht zur Wandebene liegt.

Claims (18)

  1. Verfahren zum Herstellen einer Adsorberstruktur, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: a) eine gut wärmeleitende Tragstruktur (1; 21) wird mit Kunstharz (34) ausgegossen oder imprägniert; b) das Kunstharz (34) wird ausgehärtet; c) die von ausgehärtetem Kunstharz (34) umgebene Tragstruktur (21) wird in situ thermochemisch behandelt, um das Kunstharz (34) zu vernetzen, zu carbonisieren und zu aktivieren.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Behandlung der von ausgehärtetem Kunstharz (34) umgebenen Tragstruktur (21) in einer Inertgasatmosphäre erfolgt.
  3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunstharz (34) Additive zugesetzt werden.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beim Aktivierungsprozess relativ stark oxidierende Gasanteile zugesetzt werden.
  5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Kunstharz (34) Phenolharz verwendet wird.
  6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine metallische, keramische, kohlenstoffhaltige und/oder graphitische Tragstruktur (1; 21) verwendet wird.
  7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Tragstruktur (1; 21) wärmeleitend mit einer Metalloberfläche (24) verbunden wird.
  8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Tragstruktur (1; 21) aus einem plissierten Metallgitter, Streckgitter, Lochfolie, Metallgewebe oder Metallgestrick gebildet wird.
  9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die wärmeleitende Tragstruktur aus geblähtem Graphit gebildet wird.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Herstellung der wärmeleitenden Tragstruktur eine offenporige Schaummatrix aus geblähtem Graphit verwendet wird.
  11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Graphit isotrop expandiert wird.
  12. Verfahren nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das expandierte Graphit mit einem Kunstharz imprägniert wird, um eine Matrix zu bilden.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass dem Kunstharz Kohlenstoff-Nanoröhrchen zugemischt werden, um eine verbesserte Wärmeleitfähigkeit zu erhalten.
  14. Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix bei Temperaturen unterhalb der Schmelztemperatur des Trägermaterials und vorzugsweise unter 500 Grad Celsius carbonisiert und/oder aktiviert wird, um die Adsorberstruktur zu bilden.
  15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Matrix mit Säure carbonisiert und/oder aktiviert wird, um die Adsorberstruktur zu bilden.
  16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorberstruktur auf eine gewünschte Dicke zusammengepresst wird.
  17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Adsorberstruktur auf eine metallische Trägerplatte aufgeklebt wird.
  18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass zum Aufkleben der Adsorberstruktur ein wärmeleitender Kleber verwendet wird.
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