DE102011081242A1

DE102011081242A1 - Verfahren zur Herstellung eines Fluidführungselements für eine Wärmepumpe

Info

Publication number: DE102011081242A1
Application number: DE102011081242A
Authority: DE
Inventors: Thomas Heckenberger; Markus Mehr; Fan Jin; Steffen Thiele
Original assignee: Behr GmbH and Co KG
Current assignee: Mahle International GmbH
Priority date: 2011-08-19
Filing date: 2011-08-19
Publication date: 2013-02-21

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren (400) zur Herstellung eines Fluidführungselements (1, 2) für eine Wärmepumpe. Das Verfahren umfasst einen Schritt des Bereitstellens (402) eines thermoplastischen Kunststoffmaterials, einen Schritt des Formens (404) des Fluidführungselements (1, 2) aus dem thermoplastischen Kunststoffmaterial mittels eines thermoplastischen Umformprozesses und einen Schritt des Nachbehandelns (406) des Fluidführungselements (1, 2) mittels einer thermischen Veränderung von Materialeigenschaften.

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung eines Fluidführungselements für eine Wärmepumpe.
Ein herkömmliches Fluidführungselement aus Kunststoff unterliegt Verschleiß und Erosion bei hohen Temperaturen während des Betriebs einer Wärmepumpe. Aus dem Verschleiß und der Erosion ergibt sich eine geringe Lebensdauer des Fluidführungselements. Durch die geringe Lebensdauer muss das Fluidführungselement im Rahmen vorbeugender Wartung in regelmäßigen Abständen ausgetauscht werden.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein verbessertes Verfahren zur Herstellung eines Fluidführungselements für eine Wärmepumpe zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren zur Herstellung eines Fluidführungselements für eine Wärmepumpe gemäß dem Hauptanspruch gelöst.
Für eine neuentwickelte Wärmepumpe werden kostengünstige Bauteile benötigt. Beispielsweise ein Strömungsverteiler, ein Wasserkasten und ein Rotationsventil. Der hier vorgestellte Ansatz beschreibt ein systematisch optimiertes System, bestehend aus Konstruktion, Material- sowie Fertigungsprozessauswahl für die Herstellung der Bauteile Strömungsverteiler und Wasserkasten.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass beispielsweise ein Einsatz eines kostengünstig mit Additiven modifizierbaren Kunststoffs in Verbindung mit einer angepassten Formgebungstechnik und einer Nachbehandlung des Erzeugnisses eine hohe Temperaturbeständigkeit in einem Wasser/Glykol-Medium für einen Einsatz bei hohen Betriebstemperaturen von bis zu 150°C ermöglicht. Weiterhin kann das Fluidführungselement eine Druckfestigkeit für Drücke von drei bis fünf bar aufweisen. Das Fluidführungselement kann Diffusionsdicht sein und eine geringe Wärmekapazität aufweisen. Durch den hier vorgestellten Ansatz der Herstellung des Fluidführungselementes kann eine Oberfläche des Fluidführungselements eine hohe Abriebfestigkeit und einen niedrigen Reibungskoeffizient aufweisen. Das Fluidführungselement kann einen geringen thermischen Längenausdehnungskoeffizient und hohe Wärmeformbeständigkeit aufweisen. Der modifizierte Kunststoff kann ein gutes Fließverhalten während der Formgebung aufweisen. Durch die Nachbehandlung kann der Kunststoff einen hohen Vernetzungsgrad aufweisen.
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren zur Herstellung eines Fluidführungselements für eine Wärmepumpe, wobei das Verfahren die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen eines thermoplastischen Kunststoffmaterials;
Formen des Fluidführungselements aus dem thermoplastischen Kunststoffmaterial mittels eines thermoplastischen Umformprozesses; und
Nachbehandeln des Fluidführungselements mittels einer thermischen Veränderung von Materialeigenschaften.
Unter einem Fluidführungselement für eine Wärmepumpe kann beispielsweise ein Wasserkasten oder ein Rohr verstanden werden, die dazu ausgebildet sind ein Fluid einer Wärmepumpe zu transportieren. Ein thermoplastisches Kunststoffmaterial kann ein aufschmelzbares Polyolefin sein, das bei Verarbeitungstemperatur in einem schmelzflüssigen Zustand vorliegt und bei Betriebstemperatur in festem Zustand vorliegt. Das Kunststoffmaterial kann in Form von Pellets bereitgestellt werden. Das Bereitstellen kann die Herstellung von Pellets umfassen. Das Bereitstellen kann auch eine Polymerisation oder eine Polyaddition verschiedener Ausgangsmaterialien umfassen. Das Formen kann bei Verarbeitungstemperatur erfolgen. Dann kann das Kunsttoffmaterial in schmelzflüssigem Zustand in ein Werkzeug eingebracht werden, wo es erstarrt und eine Kontur des Werkzeugs annimmt. Ein Nachbehandeln kann ein chemischer Prozess sein, der Materialeigenschaften, wie beispielsweise eine Härte, eine Dehnung oder eine Abrieb- und Zugfestigkeit des Fluidführungselements verbessert. Der Prozess kann auch mehrere Eigenschaften verbessern.
Das Kunststoffmaterial kann ein silanmodifiziertes Polyolefin sein und mittels einer Pfropfung eines Polyolefins mit einem organischen Silan bereitgestellt werden. Ein gepfropftes Kunststoffmaterial kann eine gegenüber dem Ausgangsmaterial gesteigerte Festigkeit und Wärmeformbeständigkeit aufweisen. Durch die Pfropfung kann das Kunststoffmaterial beispielsweise eine größere Anzahl an Verknüpfungen von Polymerketten aufweisen.
Das Kunststoffmaterial kann auf einen vorbestimmten Feuchtigkeitsgehalt getrocknet werden bevor es verarbeitet wird. Durch eine vorausgehende Trocknung kann eine frühzeitige Vernetzung des Kunststoffmaterials verhindert werden und Fertigungsfehler beim Formen verringert werden. Beispielsweise können so Dampfeinschlüsse im Kunststoffmaterial verhindert werden.
Das Fluidführungselement kann durch Verflüssigen des Kunststoffmaterials, Einbringen des Kunststoffmaterials in eine Negativform und Erstarren des Kunststoffmaterials in der Negativform geformt werden. Dadurch kann das Fluidführungselement eine definierte Außenkontur erhalten.
Aus dem Kunststoffmaterial kann ein Rohr extrudiert werden, und das Rohr kann mittels eines Coextrusionsprozesses mit einem weiteren Kunststoffmaterial ummantelt werden. Unter einem Coextrusionsprozess kann ein endloses Herstellungsverfahren für lineare Bauteile aus zumindest zwei Materialien verstanden werden. Bei dem Coextrusionsprozess können die zumindest zwei Materialien beispielsweise in schmelzflüssigem Zustand durch eine Düsenanordnung gepresst werden. In der Düsenanordnung kann das erste Kunststoffmaterial eine erste Kontur von einer ersten Düse annehmen, und das weitere Kunststoffmaterial kann durch eine weitere Düse beispielsweise um die erste Kontur herum mit einer weiteren Kontur gepresst werden. Dadurch können endlose Bauteile mit zumindest zwei Materialien geschaffen werden, wobei sich Materialeigenschaften der Kunststoffmaterialien ergänzen können.
Aus dem Kunststoffmaterial kann ein Rohr mittels eines Blasformprozesses geformt werden. Unter einem Blasformprozess kann ein Spritzgießen verstanden werden, bei dem überschüssiges Material im Inneren des Rohrs durch ein Fluid aus dem Rohr verdrängt wird. Dadurch können komplizierte Konturen auch ohne die Verwendung eines besonderen Formungselementes geformt werden.
Aus dem Kunststoffmaterial kann ein Rohr mittels eines Projektil-Injektionsprozesses geformt werden. Unter einem Projektil-Injektionsprozess kann ein Spritzgießen verstanden werden, bei dem überschüssiges Material im Inneren des Rohrs durch ein Projektil verdrängt wird. Das Projektil kann eine Innenkontur des Rohrs mittels einer Außenkontur des Projektils formen. Dadurch können besondere Geometrien mit Wandstärkenverdickungen geformt werden. Die Innenkontur kann besonders glatt sein.
Das Rohr kann zumindest mit einer Biegung geformt werden. Das Rohr kann nach dem Formen bereits eine endgültige Form aufweisen. Dadurch können Materialschwächungen durch spätere Verformungen vermieden werden.
Das Fluidführungselement kann für eine vorbestimmte Zeit bei einem vorbestimmten Temperaturprofil und einem vorbestimmten Feuchtigkeitsprofil ausgelagert werden, um Bestandteile des Kunststoffmaterials miteinander zu vernetzen. Unter einem Auslagern kann ein Entnehmen aus der Form und ein Aufbewahren unter kontrollierten Umweltbedingungen verstanden werden. Fas Fluidführungselement kann in einer Lagerungseinrichtung ausgelagert werden, die zumindest einen Teil der Außenkontur des Fluidführungselements abbildet. Dadurch kann das Fluidführungselement spannungsfrei gelagert werden. Ein vorbestimmtes Temperaturprofil kann beispielsweise je eine Temperaturrampe mit je einer vorgegebenen Steigung an Anfang und Ende einer Haltezeit mit vorgegebener Temperatur umfassen. Das Temperaturprofil kann auch mehrere Haltezeiten bei unterschiedlichen Temperaturen umfassen. Ein vorbestimmtes Feuchtigkeitsprofil kann beispielsweise einen Feuchtigkeitsanstieg am Anfang der Haltezeit und einen Feuchtigkeitsabfall am Ende der Haltezeit aufweisen. Während der Haltezeit kann die Feuchtigkeit konstant sein. Die Feuchtigkeit kann eine Feuchte auf einer Oberfläche des Fluidführungselements sein. Durch eine Reaktion von Feuchte und dem Kunststoffmaterial kann die Vernetzung des Kunststoffmaterials beschleunigt werden und vorbestimmte Materialeigenschaften eingestellt werden.
Vorteilhafte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
3 eine Darstellung eines Teils einer Wärmepumpe mit mehreren Ausführungsbeispielen von Fluidführungselementen gemäß der vorliegenden Erfindung;
2 eine Darstellung eines Adsorptionsmoduls mit einem Wasserkasten gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
3 ein Diagramm einer Zersetzungstemperatur über eine Thermostabilisatorkonzentration für ein Kunststoffmaterial zur Verwendung in einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
4 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Herstellung eines Fluidführungselements für eine Wärmepumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
1 zeigt eine Darstellung eines Teils einer Wärmepumpe mit mehreren Fluidführungselementen 2. Die Fluidführungselemente 2 sind gemäß unterschiedlicher Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung hergestellt worden. Die Fluidführungselemente sind als Rohrleitungen und Wasserkästen ausgebildet. Dargestellt sind zwei Stacks aus je vier Adsorptionsmodulen 1 übereinander. Zwischen den Stacks sind zwei Rotationsventile 3 nebeneinander angeordnet. Die Adsorptionsmodule 1 weisen an einer Vorderseite und an einer Rückseite je einen Wasserkasten auf. Jeder der Wasserkästen weist zwei Anschlüsse auf. Die Anschlüsse sind mittels der Rohrleitungen 2 mit einem der Rotationsventile 3 verbunden. Die Rohrleitungen 2 weisen Biegungen in mehreren Ebenen auf. Die Fluidführungselemente sind dazu ausgebildet, ein Wärmepumpenfluid in der Wärmepumpe zu führen.
2 zeigt ein Adsorptionsmodul mit zwei Wasserkästen 4 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Adsorptionsmodul kann ein Bestandteil eines Stacks einer Wärmepumpe wie in 1 sein. Das Adsorptionsmodul weist einen quaderförmigen Grundkörper auf. An zwei gegenüberliegenden Seiten sind zwei Wasserkästen 4 angeordnet. Die Wasserkästen 4 weisen je zwei Kammern auf. Die Kammern sind unterschiedlich groß. Jede der Kammern weist einen Anschluss 5 für die Rohrleitungen aus 1 auf. Die Kammern weisen eine umlaufende Dichtkante auf, die an dem Absorptionsmodul anliegt und die Kammern gegenüber der Umgebung fluiddicht abschließt. Die Wasserkästen 4 sind als Spritzteil mit außen angeordneten Rippen ausgeführt. Zwischen den Kammern ist eine Bohrung angeordnet. Die Wasserkästen 4 sind dazu ausgebildet, ein Fluid der Wärmepumpe durch das Adsorptionsmodul von einer der Kammern eines der Wasserkästen 4 zu einer der Kammern des gegenüberliegenden Wasserkastens 4 zu leiten.
Die 1 und 2 zeigen eine konstruktive Darstellung und Optimierung des Wasserkastens 4 sowie der Strömungsverteiler 2 gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung. Dazu ist eine Entwicklung eines neuen Werkstoffes für den oben genannten Einsatz durch beispielsweise chemische Modifizierung von preisgünstigen Kunststoffen in den folgenden Absätzen beschrieben. Dies wird durch Modifizierung von bestimmten Kunststoffen sowie die Anwendung von Polymerblends und Additiven wie z. B. Glasfaser (chemisch gekoppelt) und Nanocomposite umgesetzt. In 4 wird ein Verfahren zur Herstellung des Wasserkastens und Strömungsverteilers vorgestellt.
Für die neuentwickelte Wärmepumpe wird gemäß dem hier vorgestellten Ansatz ein kostengünstiger Strömungsverteiler 2, Wasserkasten und ein Rotationsventil 2 bereitgestellt. Hierfür wird eine geeignete Konstruktion ein geeignetes Material und ein optimierter Fertigungsprozess für Wasserkasten und Strömungsverteiler 2, welche das Fluid (Wasser/1,2-Propylenglykol) zu den Funktionsmodulen 1 leiten vorgestellt. Im Kühlmittelkreislauf kommen technische Kunststoffe zum Einsatz. Aufgrund des Einsatzes von Wasser/1,2-Propylenglykol als Kühlmittel und der hohen Einsatztemperaturen können Hydrolysestabilisatoren sowie Thermostabilisatoren im Polymer eingesetzt werden, um die Alterungserscheinungen (Hydrolyse/thermische Abbau) zu verhindern. Dadurch kann ein Dauergebrauch mit Temperaturen von bis zu 150°C ermöglicht werden.
Die Wärmepumpe (COSSAC (Continously Operating Solid Sorption Air Conditioner)) weist anstelle eines großen Adsorptionsreaktors mehrere auf Gleichteilen basierender Adsorptionsmodule 1 auf. Die Gesamtleistung addiert sich durch die Einzelleistungen der Adsorptionsmodule 1. So können eine sehr gute Skalierbarkeit sowie eine kostengünstige Abdeckung verschiedener Leistungsklassen (2–20 kW) zu ermöglicht werden. Desweiteren wird eine möglichst hohe Leistungsdichte durch eine kompakte Bauweise und eine quasikontinuierliche Abgabe der Kälte- oder Wärmeleistung durch ein intelligentes Fluid- und Wärmemanagement ermöglicht. Durch den Einsatz von Großserienprozessen wird eine kostengünstige Produktion erreicht. Dies wird unteranderem sowohl von dem Material als auch dem Fertigungsprozess für den Wasserkasten und Strömungsverteiler beeinflusst. Deshalb wird unter dem Gesichtspunkt der Kosteneinsparung ein geeignetes Material sowie ein geeigneter Fertigungsprozess vorgestellt.
Die neuentwickelte Wärmepumpe (COSSAC (Continously Operating Solid Sorption Air Conditioner)) besteht aus zwei Hauptkomponenten. Zum Einen der Stack mit einzelnen Sorptionsmodulen 1, welche die Erzeugung der Kälte für Klimatisierungszwecke zur Aufgabe haben, und zum Anderen das Fluidmanagementsystem in Form von Rotationsventilen 3, Strömungsverteiler 2, und Kunstsoff-Wasserkasten 4 zur Zu- bzw. Abführung, eines Wärmeträgers zu den Sorptionsplatten. Der Strömungsverteiler 2 befindet sich zwischen dem Wasserkasten und dem Rotationsventil 3 und wird mit einer speziellen Verbindungstechnik mit dem Ventil 3 und den Wasserkästen verbunden 5.
Die Innendurchmesser und die Wanddicke des Strömungsverteilers 2, betragen jeweils ca. 12 mm und ca. 2 mm. Das innere Rohr besteht entweder aus Kunststoffmehrschichtfolie oder aus Metallwerkstoff, das äußere Rohr besteht aus hartem Kunststoffschaum zur thermischen Isolierung. Je nach Betrieb der Wärmepumpe kann entweder die Verdampfungsenthalpie zur Kühlung genutzt oder im Wärmepumpenbetrieb Umweltwärme auf ein höheres, zu Heizzwecken ausreichendes Temperaturniveau, gepumpt werden.
Der zum Einsatz kommende Kunststoff ist erhöhten chemischen, mechanischen und thermischen Belastungen ausgesetzt. Zum einen muss er bei einer Anwendung im Fluidmanagmentsystem beständig gegenüber dem Wasser-Propylenglykol-Gemisch (30/70) sein, d. h. der derartige Werkstoff muss eine sehr hohe Alterungs-, Hydrolyse- sowie Permeationsbeständigkeit im Kühlmittel aufweisen. Desweiteren muss die Wärmepumpe Drücken von 3 bis 5 bar und Temperaturen von bis zu 150°C standhalten, wobei sich im normalen Betrieb in der Regel niedrigere Werte einstellen. Aus Gründen der Herstellbarkeit und Verarbeitbarkeit wird als Kunststoff vornehmlich ein thermoplastischer bevorzugt.
Der Werkstoff erfüllt folgende Anforderungen:

– er ist kostengünstig
– er weist eine hohe Temperaturbeständigkeit im Wasser/Glykol-Medium (Einsatz bei hohen Betriebstemperaturen von bis zu 150°C)
– es besteht eine hohe Druckfestigkeit (Drücke von 3 bis 5 bar)
– er ist Diffusionsdicht
– er weist eine geringe Wärmekapazität auf
– er bietet eine hohe Abriebfestigkeit
– er weist einen niedrigen Reibungskoeffizient auf
– er weist einen geringen thermischen Längenausdehnungskoeffizient auf
– er weist ein gutes Fließverhalten auf
– bei polyolefinem Werkstoff liegt der MFI-Wert zwischen 0 bis 3 g/10 min (2,16 kg gemessen)
– der polyolefine Werkstoff weist eine hohe Schmelz- und Vicat-Temperatur auf
– er weist eine Hydrolysebeständigkeit gegen Wasser-/Propylenglykol-Gemisch bei hohen Temperaturen auf
– es besteht ein hoher Vernetzunggrad (Gelgehalt > 80%, bevorzugt 85 bis 98%) bei silanmodifizierten Polyolefinen

Der Strömungsverteiler 2 weist einen möglichst geringen Strömungsverlust und somit einen kleinen Druckverlust auf.
Beispielsweise können als Kunststoffwerkstoff silanmodifizierte Polyolefine verwendet werden. Um die zugeschnittenen, anwendungsspezifischen Eigenschaftsprofile – d. h. die Steigerung der Wärmeformbeständigkeit und Dauergebrauchstemperatur (im Wasser/Glykol-Medium) sowie der Festigkeit bzw. die Absenkung des Wärmeausdehnungskoeffizienten zu erhalten – lassen sich Polymerwerkstoffe durch Funktionalisieren und Füllen bzw. Verstärken modifizieren. Hinsichtlich des Funktionalisierens ist eine Pfropfung von Polyolefinen [Polyethylene hoher Dichte (HDPE), Polypropylen-Blockcopolymere und PP-Homopolymer] mit Organosilanen wie z. B. Trimethoxysilan (VTMS), Methacryloxy-propyltrimethoxysilan (VMMS) oder Vinyltriethoxysilan (VTES) zum Zwecke ihrer Vernetzbarkeit im Festzustand vorgesehen. Durch die chemische Vernetzung werden die Anwendungsmöglichkeiten für diese kostengünstigere Polymer-werkstoffgruppe deutlich vergrößert. Silanmodifizierte Polyolefine können zur Herstellung von Heißwasserrohren, für Haftschichten zwischen unverträglichen Polymeren und Metallen sowie als Spritzgießformteilen und geschäumten Bauteilen Verwendung finden.
Das Fließverhalten eines silanmodifizierten Polymers ist ähnlich wie jenes von einem reinen Polymer, d. h. der silanmodifizierte Polymerwerkstoff ist thermoplastisch weiterverarbeitbar. Das dreidimensionale Polymernetzwerk wird durch das Aufpfropfen von Organosilanmolekülen in Verbindung mit einer nach dem Spritzgießprozess einsetzenden Hydrolyse- und Kondensationsreaktion (in Anwesenheit von Luftfeuchtigkeit) generiert.
Zur Silanpfropfung kann folgender Zweistufenprozess angewandt werden. Eine erste Stufe ist die Silanpfropfung und anschließende Trocknung des Granulats sowie Kaltlagerung, um die chemische Vernetzung vor der Spritzgießverarbeitung zu vermeiden. Eine zweite Stufe ist die Spritzgießverarbeitung und anschließende Lagerung des silanmodifizierten Produkts in einer temperierten Kammer unter einem Feuchtigkeitsspender bei 60 bis 80°C. Die vollständige Vernetzung dauert etwa 3 bis 5 Tage. Unter normalen Atmosphärenbedingungen kann die vollständige Vernetzung des silanmodifizierten Produkts einen Zeitraum von ungefähr 20 Tagen benötigen.
Zu HDPE kann als Silanpfropfungsrezeptur beispielsweise eine Zugabemenge (phr) von 2,5–3% Vinylsilan (VTMOS), 0,1% Dicumylperaxid (DCUP), 0,1% Masterbach (Thermostabilisator z. B. Iganox 1010) und 0,25% Masterbach (Dibutylzinndilaurat (DBTL)) als Zusatz beigemischt werden.
Zu PP kann als Silanpfropfungsrezeptur beispielsweise eine Zugabemenge (phr) von 3–4% Vinylsilan (VMMS), 0,1–0,2% DCUP und 1,5–2,0% Styrol/VMMS (molare Verhältnisse) als Zusatz beigemischt werden.
Durch die Silanmodifizierung sowie -vernetzung von PP oder HDPE kann eine

– starke Erhöhung der Wärmeformbeständigkeit sowie der Vicat-Temperatur des Produkts
– deutliche Verbesserung der mechanischen Eigenschaften des Produkts
– Steigerung der Dauergebrauchstemperatur auf bis zu 140°C
– starke Verringerrung der thermischen Längenausdehnungskoeffizienten
– weiterhin Möglichkeit der thermoplastischen Verarbeitung von PP oder HPPE
– Erhöhung der chemischen Resistenz
– Möglichkeit hoher Füllstoffanteile
– Erhöhung der Verschleiß- sowie Kriechbeständigkeit
– Erhöhung der Alterungsbeständigkeit

Aus einer Gegenüberstellung mit einem Standardrohstoff wie z. B. PA6 geht hervor, dass silanmodifiziertes sowie mit Glasfaser (GF) gekoppeltes HDPE oder PP vergleichbare Eigenschaften aufweisen können.
Dabei kann der Standardrohstoff, z. B. Ultramid A3WG6-Q71 eine Temperaturformbeständigkeit (Dauergebrauchstemperatur) von max. 125–130°C, eine Lebensdauer von 3 bis 5 Jahren bei Dauergebrauch, einen starken Abbau der Hydrolysebeständigkeit gegen ein Wasser-Glykol-Gemisch bei einer notwendigen teuren Hydrolyse-Stabilisierung, ein Quellvermögen als Wasseraufnahme [%] von 5–6% bei guten Mechanische Eigenschaften aufweisen.
Das silanvernetzte oder mit chemsich GF gekoppelte glasfaserverstärkte HDPE oder PP kann dagegen eine Temperaturformbeständigkeit (Dauergebrauchstemperatur) von PP max. 140–150°C; HDPE 90–100°C, eine Lebensdauer von > 20 Jahren, eine exzellente Hydrolysebeständigkeit gegen ein Wasser-Glykol-Gemisch, eine hohe chemische Resistenz bei keiner Hydrolyse, ein Quervermögen bei Wasseraufnahme [in %] von < 0.01% sowie durch die Vernetzung von PP annähernd gleiche Eigenschaften wie PA6.6 aufweisen.
Durch die Silanmodifizierung von HDPE kann die Dauergebrauchstemperatur von 80°C bis auf 120°C erhöht werden. Silanmodifiziertes HDPE kann beispielsweise in Kanalisationsrohren eingesetzt werden. Die praktische Anwendung zeigt, dass die Alterungsdauer dieser Kanalisationsrohre bei einer Dauergebrauchstemperatur von 100°C in starken chemisch aggressiven Medien mehr als 20 Jahre beträgt. Beim silanmodifizierten PP(Homopolymer)/GF-Compound kann die Dauergebrauchstemperatur abhängig von der Molmasse und des Silanpfropfungsgrades auf bis zu 150°C erhöht werden. Darüber hinaus ermöglicht der Einsatz von silanmodifizierten Polyolefinen eine deutliche Einsparung bezüglich der Materialkosten und geringe Dichte um Vergleich mit PA6 und PA6.6.
Ebenfalls für die Anwendung geeignete Kunstoffe sind glasfaserverstärktes Polybutylenterephthalat (z. B. PBT mit einer Zugabemenge von 5% Nano-Zeolith), glasfaserverstärktes Polyethylenterephthalat (PET), glasfaserverstärktes Polysulfon (PSF) und chemisch gekoppeltes sowie glasfaserverstärktes Polypropylen (PP). Es ist auch möglich glasfaserverstärkte Polyamide (PA) wie z. B. PA6, PA66, PA46, PA1212, PA610 oder PA1010 einzusetzen. Allerdings müssen diese aufgrund ihrer Hydrolyseempfindlichkeit hydrolysestabilisiert werden. Desweiteren besteht die Möglichkeit PPA (Polyphthalamid), PPS (Polyphenylensulfid), PEEK (Polyetheretherketon), AP (aromatische Polyester), PTFE (Polytetrafluorethylen), PVDF(Polyvinylidenfluorid), PES (Polyethersulfon), PPO (Polyphenyloxid), PVF (Polyvinyldichlorid), chlorierte Polyester, PAR (Polyphenylester, Anwendung bis 280°C), POB (Poly(oxy-1,4-benzenediylcarbonyl)), PI (Polyimid) und PSI (Polysulfonimid) als Werkstoff zu verwenden.
Als harter Kunststoffschaum für die äußeren Rohre, welche zur thermischen Isolierung dienen, sind wie. z. B. Phenolharz-(PF), Polyurethan-(PUR) sowie Meleminharz-Schäume geeignet.
Durch eine effektive Thermostablisierung kann für Kunststoffe (Polyolefine) in diesem Einsatzbereich je nach gewählter Sorten und -Zugabemenge des Thermostabilisators wie z. B. Irganox 1076, Irgafos 168, Irganox 1010, Irgafos P-EPQ oder Ultranox 626 (jeweils eine bevorzugte Zugabemenge von 0,05–1%) die Lebensdauer des Kunststoffs durch dessen Zugabe auf einen bestimmten Hochtemperaturanwendungsbereich erhöht werden. Desweiteren dienen Pigmente wie z. B. Zinkoxid (bevorzugte Zugabemenge 0,05–0,5%) oder Calciumoxid und -carbonate zur Verhinderung des thermischen Abbaus.
3 zeigt ein Diagramm einer Zersetzungstemperatur über eine Thormostabilisatorkonzontration für ein Kunststoffmaterial gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Auf der Abszisse ist eine Thermostabi-Konzentration in phr angetragen, auf der Ordinate ist eine On-Set Temperatur in °C angetragen. Bei 0,2 phr beträgt die Temperatur 264°C, bei 0,4 phr beträgt die Temperatur 271°C und bei 0,6 phr beträgt die Temperatur 277°C.
Mit anderen Worten ist in 3 die Abhängigkeit der Zersetzungstemperatur einer HDPE-Probe von der Thermostabilisator-Zugabekonzentration dargestellt. Dabei ist der Onset der Beginn der Polymer-Zersetzungstemperatur, die mittels TGA (Thermische Gravimetrische Analyse) ermittelt wurden. Daraus wird ersichtlich, dass die Zersetzungstemperatur mit zunehmender Thermostabilisator-Konzentration ansteigt. Im Allgemeinen gilt für den gleichen Polymertyp: Je höher die Thermostabilisator-Zugabemenge, desto effektiver ist die Wirkung des Thermostabilisators und desto höher ist die Lebensdauer des Kunststoffs, d. h. die Lebensdauer von HDPE steigt mit zunehmender Stabilisator-Zugabemenge fast proportional.
Als viertes kann auch ein möglicher Metallwerkstoff in Form von Edelstahl verwendet werden. Der am häufigsten eingesetzte nicht rostende Edelstahl ist der 1.4301. Bei dem 1.4301 handelt es sich um einen austenitischen Stahl. Aufgrund des geringen Kohlenstoffgehalts ist er gut zum Schweißen geeignet und bis zu einer Wandstärke von 5 mm ohne Wärmebehandlung interkristallin beständig. Der Stahl besitzt eine Einsatztemperatur von bis zu 600°C und ist gut Kaltverformbar. 1.4301 ist unteranderem gegen Wasser und schwache organische und anorganische Säuren beständig.
Ebenso kann Kupfer verwendet werden. Durch Kaltverformen kann die Festigkeit des Kupfers gesteigert werden. Auch bei sehr tiefen Temperaturen bleibt das Kupfer geschmeidig und schlagzäh. Es ist sehr gut kalt- und warmumformbar, hart- und weichlötbar sowie schweißbar.
Weiterhin kann Aluminium verwendet werden. Aluminium ist gegen viele Medien beständig. Die gute Umformbarkeit des Aluminiums ermöglicht die Herstellung von Profilen und Rohren mit nahezu beliebig komplizierten Querschnittsformen z. B. durch Strangpressen. Aluminium ist nach allen üblichen Verfahren des Stoffverbindens bearbeitbar.
4 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 400 zur Herstellung eines Fluidführungselements für eine Wärmepumpe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Mit dem Verfahren 400 können Fluidführungselemente wie sie in den 1 und 2 gezeigt sind hergestellt werden. Das Verfahren 400 weist einen Schritt des Bereitstellens 402, einen Schritt des Formens 404 sowie einen Schritt des Nachbehandelns 406 auf. Im Schritt des Bereitstellens 402 wird ein thermoplastisches Kunststoffmaterial bereitgestellt und für den Schritt des Formens 404 vorbereitet. Dazu kann das Kunststoffmaterial aus Ausgangsmaterialien synthetisiert werden. Ebenso kann ein thermoplastischer Grundkunststoff mit Zusätzen versetzt werden, um mechanische und chemische Eigenschaften des Grundkunststoffs an Vorgaben für das Fluidführungselement anzupassen. Beispielsweise kann der Grundkunststoff mit Silanen gepfropft werden. Das thermoplastische Kunststoffmaterial kann vor dem Schritt des Formens auf eine vorbestimmte Feuchtigkeit getrocknet werden. Beispielsweise kann Kondensat aus den Vorbereitungsprozessen entfernt werden. Im Schritt des Formens 404 wird das Fluidführungselement mittels eines thermoplastischen Urformprozesses geformt. Zum Formen 404 kann das thermoplastische Kunststoffmaterial plastifiziert werden und in Form gebracht werden. Beispielsweise kann das Kunststoffmaterial gedruckt werden. Dazu kann das Kunststoffmaterial aus Düsen gepresst werden und basierend auf Modelldaten des Fluidführungselements dreidimensional platziert werden, um dort zu erstarren. Dadurch kann ohne Negativform das Fluidführungselement aufgebaut werden. Ebenso kann das Kunststoffmaterial in eine Negativform des Fluidführungselements eingebracht werden, um als Fluidführungselement zu erstarren. Um ein Rohr zu formen kann ein Hohlraum in dem Rohr mit einer Seele geformt werden. Ebenso kann das Kunststoffmaterial an Wänden der Negativform erstarren und im Inneren verbleibendes schmelzflüssiges Material entfernt werden. Das thermoplastische Kunststoffmaterial kann auch als Granulat in die Form eingebracht werden, um in der Form zu schmelzen, gleichmäßig in der Form verteilt zu werden und als Fluidführungselement zu erstarren. Das Kunststoffmaterial kann in schmelzflüssigem Zustand durch eine Matrize gepresst werden und kontinuierlich zu einem endlosen Strang Fluidführungselement zu erstarren. Dabei kann der Strang mit einem anderen Kunststoffmaterial ummantelt werden. Im Schritt des Nachbehandelns 406 wird das Führungselement ausgelagert, um zu reifen. Unter kontrollierten Umgebungsbedingungen kann das Kunststoffmaterial an Beispielsweise Zähigkeit gewinnen, indem Verbindungen zwischen Kettenmolekülen entstehen. Die Verbindungen können ein Netz auszubilden, das dem Fluidführungselement Stabilität verleiht. Die kontrollierten Umweltbedingungen können beispielsweise vorbestimmte Druckwerte, vorbestimmte Feuchtigkeitswerte, vorbestimmte Temperaturwerte, vorbestimmte Konzentrationen an Veredelungsgas sein. Ebenso kann im Schritt des Nachbehandelns 406 das Fluidführungselement mittels einer kontrollierten Abkühlgeschwindigkeit veränderte Materialeigenschaften erhalten. Durch die Abkühlgeschwindigkeit kann beispielsweise eine Ausrichtung der Kettenmoleküle in dem Kunststoffmaterial beeinflusst werden.
Mit anderen Worten zeigt 4 ein Verfahren zur Herstellung eines Strömungsverteilers und des Wasserkastens für eine Adsorptionswärmepumpe. Zur Herstellung des Strömungsverteilers auf Kunststoffbasis gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung kann das Kunststoffmaterial extrudiert werden. Eine Sonderform der Extrusion ist die Coextrusion. Hier besteht die Möglichkeit mehrschichtige Halbzeuge herzustellen. Ein durch Coextrusion hergestelltes Rohr kann beispielsweise zwei Schichten besitzen. Die innere Schicht kann hydrolysebeständig sein und somit die Lebensdauer des Rohrs erheblich erhöhen. Die äußere Schicht dient der Temperaturbeständigkeit und der mechanischen Festigkeit und Permeationsbeständigkeit.
Der Strömungsverteiler kann auch durch Blasformen hergestellt werden. Für die Herstellung des Strömungsverteilers eignen sich beispielsweise Extrusionsblasformen, Streckblasformen, Spritzblasformen.
Durch konventionelles Blasformverfahren Verfahren hergestellte Artikel haben eine große Menge an überschüssigem Material. Außerdem weisen sie in weiten Bereichen eine Schweißnaht auf. Aus diesem Grund kommt meist bei technisch anspruchsvollen Teilen eine Sonderform des Blasformens vor. Das sogenannte 3D-Blasformen ermöglicht die Produktion von butzenarmen Artikeln. Dieses Verfahren bringt nicht nur eine Reduzierung der Schweißnähte mit sich sondern auch eine Reduktion des Materialverbrauchs. Durch diese Art des Blasformens fällt eine Nacharbeit im Bereich des Außendurchmessers weg. Nur ein Abschneiden der verlorenen Köpfe ist erforderlich. Der gefertigte Artikel ist im gesamten Bereich frei von Schweißnähten.
Eine andere Variante zur Herstellung von medienführenden Leitungen ist das Saugblasen.
Weiterhin kann der Strömungsverteiler mittels Injektionstechnik, beispielsweise Gas-Injektionstechnik (GIT) hergestellt werden. Die gebräuchlichste Verfahrensvariante ist das Aufblas-Verfahren. Dabei können weniger konstante Wandstärken erzielt werden. Es kann die Gefahr von Wanddurchbrüchen bestehen. Bei der Wasser-Injektionstechnik (WIT) wird die Wanddicke des Formteils durch die rheologischen Eigenschaften der Schmelze und durch die Prozessparamter beeinflusst. Das WIT-Verfahren erzeugt Bauteile mit sehr glatten Innenwänden, außerdem können kleinere Wandstärken wie bei dem GIT-Verfahren realisiert werden. Bei starken Krümmungen oder scharfe Umlenkungen treten bei der WIT, wie bei der GIT, Wanddickenunterschiede auf.
Bei der Projektil-Injektionstechnik (PIT) schießt ein Apparat ein Projektil mit Hilfe eines Druckmediums durch die Schmelze und erzeugt auf diese Weise den Hohlraum. Durch optimale Einstellung des Zusammenwirkens von Werkzeug, Projektil, Gas und Wasser wird eine sehr schnelle Abkühlung der verdrängten Seele gewährleistet. Die Abkühlzeit ist schneller als bei der WIT. Dadurch werden kurze Taktzeiten und eine homogene Innenoberfläche erreicht. Die Kühlzeit, Wanddicke und somit Teilegewicht sind über den Projektildurchmesser einstellbar. Durch das PIT werden Leitungen mit konstantem Innendurchmesser hergestellt und somit wird der Druckverlust minimiert. Außerdem lassen sich Biegungen von bis zu 90° durchschießen. Im Gegensatz zu GIT und WIT können beim PIT Standardkunststoffe verwendet werden, da die Ausformung des Hohlraums per Projektil wesentliche geringere Ansprüche an den Kunststoff stellt, wie die mit Gas oder Wasser. Auch Verstärkungsstoffe wie Glasfasern stellen kein Problem dar.
Der Strömungsverteiler kann auch aus Metall hergestellt werden. Der Strömungsverteiler kann alternativ aus einzelnen Rohren aus metallischem Werkstoff, bevorzugter weise aus Aluminium, Kupfer oder Edelstahl, dargestellt werden. Die erforderliche Form der Einzelrohre wird mittels Rohrbiegeprozess entweder aus geschweißten oder aus nahtlosen, – stranggepressten oder gezogenen – geraden Rohren aus Metall, hergestellt. Die Rohrenden erhalten eine umformtechnisch hergestellte geeignete Form als Schnittstellengeometrie zu Wasserkasten und Rotationsventil, bevorzugterweise in Form einer Anstauchung.
Vorteilhafterweise weist das chemisch modifizierte und mit Glasfasern gekoppelte Polyolefin keinen Hydrolyseabbau im Kühlmittelmedium (Wasser-1,2-Propylenglykol-Gemisch) bei einer hohen Einsatztemperatur von 80–170°C (bevorzugt 100–160°C) auf. Durch ein optimiertes Thermostabilisatorsystem wird die geforderte Lebensdauer des Kunststoffproduktes unter Dauereinsatz gewährleistet. Die neuen Werkstoffe sind preisgünstiger als herkömmliche Kunststoffe. Die neuen Werkstoffe weisen eine hohe Schmelzfestigkeit und sehr gute Fließeigenschaften während des Spritzgießverarbeitungsprozesses auf. Die Verarbeitung von Kunststoffen mit dem Spritzgussprozess führt zu einer erheblichen Kosteneinsparung gegenüber der Verarbeitung von Metallen.
Die beschriebenen Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt und können miteinander kombiniert werden.
Bezugszeichenliste

1: Adsorptionsmodul
2: Rohr
3: Rotationsventil
4: Wasserkasten
5: Schnittstelle
400: Verfahren
402: Bereitstellen
404: Formen
406: Nachbehandeln

Claims

Verfahren (400) zur Herstellung eines Fluidführungselements (1, 2) für eine Wärmepumpe, wobei das Verfahren (400) die folgenden Schritte umfasst: Bereitstellen (402) eines thermoplastischen Kunststoffmaterials; Formen (404) des Fluidführungselements (1, 2) aus dem thermoplastischen Kunststoffmaterial mittels eines thermoplastischen Umformprozesses; und Nachbehandeln (406) des Fluidführungselements (1, 2) mittels einer thermischen Veränderung von Materialeigenschaften.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 1, bei dem im Schritt des Bereitstellens (402) ein silanmodifiziertes Polyolefin als Kunststoffmaterial bereitgestellt wird.
Verfahren (400) gemäß Anspruch 2, bei dem im Schritt des Bereitstellens (402) das silanmodifizierte Polyolefin mittels einer Pfropfung eines Polyolefins mit einem organischen Silan bereitgestellt wird.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Bereitstellens (402) das Kunststoffmaterial auf einen vorbestimmten Feuchtigkeitsgehalt getrocknet wird.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Formens (404) das Fluidführungselement (1, 2) durch Verflüssigen des Kunststoffmaterials, Einbringen des Kunststoffmaterials in eine Negativform und Erstarren des Kunststoffmaterials in der Negativform geformt wird.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Formens (404) aus dem Kunststoffmaterial ein Rohr (2) extrudiert wird, und mittels eines Coextrusionsprozesses mit einem weiteren Kunststoffmaterial ummantelt wird.
Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem im Schritt des Formens (404) aus dem Kunststoffmaterial ein Rohr (2) mittels eines Blasformprozesses geformt wird.
Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem im Schritt des Formens (404) aus dem Kunststoffmaterial ein Rohr (2) mittels eines Projektil-Injektionsprozesses geformt wird.
Verfahren (400) gemäß einem der Ansprüche 6 bis 8, bei dem im Schritt des Formens (404) das Rohr (2) zumindest mit einer Biegung geformt wird.
Verfahren (400) gemäß einem der vorangegangenen Ansprüche, bei dem im Schritt des Nachbehandelns (406) das Fluidführungselement (1, 2) für eine vorbestimmte Zeit bei einem vorbestimmten Temperaturprofil und einem vorbestimmten Feuchtigkeitsprofil ausgelagert wird, um Bestandteile des Kunststoffmaterials miteinander zu vernetzen.