DE102017108079B4 - Carbon fiber reinforced plastic plate, method for its production and plate heat exchanger - Google Patents

Carbon fiber reinforced plastic plate, method for its production and plate heat exchanger Download PDF

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Abstract

Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, die eine Länge und eine Breite besitzt, bestehend aus mindestens zwei in Längsrichtung übereinander angeordneten, mäanderförmig ausgerichteten Lagen eines flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs 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, und die Kohlenstofffasern in der Kunststoffplatte im Wesentlichen in einem Winkel zwischen 10 ° bis 90 ° zur Plattenebene ausgerichtet sind.Carbon-fiber-reinforced plastic plate, which has a length and a width, consisting of at least two layers of a flat carbon-fiber-based plastic semi-finished product, arranged one on top of the other in the longitudinal direction and aligned in a meandering shape, with a length and a width, comprising a polymer matrix and therein essentially in the direction of the length of the Plastic semi-finished carbon fibers aligned, which have a thermal conductivity in the fiber direction of at least 300 W / m · K, and the carbon fibers in the plastic plate are aligned substantially at an angle between 10 ° to 90 ° to the plane of the plate.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, hergestellt aus einem flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeug, deren Herstellung und einen Plattenwärmeübertrager mit den erfindungsgemäßen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatten.The present invention relates to a carbon fiber reinforced plastic plate made from a flat carbon fiber-based plastic semi-finished product, its production and a plate heat exchanger with the carbon fiber reinforced plastic plates according to the invention.

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 the plate systems in the overall heat transfer market is more than 20% and the trend is rising sharply. There are different ways of connecting the panels, each with its own 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.So screwed plate heat exchangers are known in the prior art, which are used primarily for cooling and heating of liquids. The advantage of these systems is that they are easy to maintain and clean. Since the profile plates are screwed together by pressure plates and an anchor pull system, they can be dismantled, cleaned or replaced in a short time. Operating pressures up to 25 bar and operating temperatures from - 40 °C to 180 °C can be realized. These parameters are determined by the elastomer seals between the plates, which also have limited chemical resistance during 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.Brazed plate heat exchangers are also known, which are used in a very wide range of applications due to a large number of favorable properties with regard to efficiency, pressure resistance, size and economy. The most important areas here are the processing of liquid media and their use as evaporators, condensers, gas coolers and compressed air dryers. Instead of an elastomer seal, copper or nickel base foils are placed between the profile plates and the entire profile plate package is hard-soldered in a vacuum oven. Depending on the application, the service life of these panel systems is estimated at approx. 10 - 15 years. When processing drinking or cooling water containing oxygen, however, it has been shown that corrosion damage, especially on the copper solder, has occurred after a very short period of operation.

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.The use of gasketed plate heat exchangers is very difficult with aggressive media such as ammonia or with high pressure loads of over 25 bar and high temperatures of over 200 °C. As an alternative to gasketed and brazed systems, semi-welded or fully welded plate heat exchangers made of stainless steel, nickel and titanium alloys have been developed. 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 carry the less critical medium and are conventionally sealed. As a result, simple maintenance is possible at any time by replacing individual plate cassettes, in contrast to fully welded plate systems. However, due to the high pressure stress, additional pressure frames are provided for both semi-welded and fully welded plate heat exchangers, which on the one hand allow a higher system pressure but on the other hand significantly increase the system weight, which is disadvantageous.

Wesentlich für die Eigenschaften von Plattenwärmeübertragern sind die für die Platten verwendeten Materialien.
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.The materials used for the plates are essential for the properties of plate heat exchangers.
Despite the low thermal conductivity of approx. 15 W / m*K , stainless steel (density ρ = 7.9 g/cm 3 ) is currently mainly used as the plate material for the profile plates of plate heat exchangers in order to ensure the required corrosion and media resistance. For highly stressed liquids, it is necessary to use more complex nickel-chromium-molybdenum alloys, which have a higher density (8.9 g/cm 3 ) and 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 material weight, the low thermal conductivity and the susceptibility to corrosion are particularly important in mobile applications, such as e.g. B. in engines for motor vehicles, aircraft and ships is a considerable disadvantage. Although the heat exchangers installed here have a comparatively good efficiency, this is reduced decisively when considering the overall energy balance due to the high dead weight and the 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 unwanted 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 required today, a large number of flow-optimized profile plates had to be integrated into the heat transfer system. This results in both a high component weight and a considerable space requirement for the plate heat exchanger. The corrosion susceptibility of the materials currently used could only be limited by complex 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.
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.As already mentioned above, classic isotropic profile plate materials are usually used in the prior art for plate heat transfer systems due to their high corrosion resistance.
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 also known. Synthetic resin-impregnated graphite is already used in plate heat exchangers and is characterized at least by 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, particularly 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 also very expensive. Due to the high corrosion resistance, a reduction in operating costs should be achieved compared to other highly resistant materials such as graphite, silicon carbide or glass. 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 points 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 compared to metals, plastics such as polypropylene (PP) or polyethylene (PE) are also increasingly being used in plate heat exchangers, despite their extremely low thermal conductivity (λ = 0.017 W / m K ). The plates used for this are usually interspersed with a large number of channels, which are intended to enable a large transmission area.

Die Patentanmeldung US 2016/0091265 A1 offenbart eine wärmeleitende Folie mit guter Wärmeleitfähigkeit in Dickenrichtung und ein Verfahren zur Herstellung einer wärmeleitenden Folie. Die offenbarte wärmeleitende Folie wird durch Herstellen einer wärmeleitenden Zusammensetzung erhalten, die eine härtbare Harzzusammensetzung, wärmeleitende Fasern und wärmeleitend Partikel umfasst, Extrudieren der wärmeleitenden Zusammensetzung, um ein säulenartiges, gehärtetes Produkt zu erhalten, und Schneiden des säulengehärteten Produkts in einer Richtung, die nahezu senkrecht zu einer Längsrichtung einer Säule ist, auf eine vorbestimmte Dicke.The patent application U.S. 2016/0091265 A1 discloses a thermally conductive sheet having good thermal conductivity in the direction of thickness and a method for producing a thermally conductive sheet. The disclosed thermally conductive sheet is obtained by preparing a thermally conductive composition comprising a curable resin composition, thermally conductive fibers and thermally conductive particles, extruding the thermally conductive composition to obtain a columnar cured product, and cutting the columnar cured product in a direction nearly perpendicular to a longitudinal direction of a column to a predetermined thickness.

Die internationale Patentanmeldung WO 2012/093063 A1 offenbart einen Wärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen einem ersten Gasstrom und einem zweiten Fluidstrom, der parallele Platten aus einem Polymermaterial und mehrere Längskanäle aufweist, die einen Raum begrenzen, durch welchen das erste Gas strömen soll. Der Wärmetauscher weist Flügel aus einem Polymerverbundmaterial auf. Diese Flügel sind in dem horizontalen Raum vorgesehen und jeder Flügel weist mindestens eine Schicht aus pyrolytischen Kohlenstoff-Fasern und mindestens zwei Schichten eines Polymermaterials auf jeder Seite der Schicht des Kohlenstoff-Fasermaterials auf. Die in dem Raum vorgesehenen Flügel sind aus einem einzigen Stück aus einer geprägten Platte hergestellt.The international patent application WO 2012/093063 A1 discloses a heat exchanger for exchanging heat between a first gas stream and a second fluid stream, comprising parallel plates of polymeric material and a plurality of longitudinal channels defining a space through which the first gas is intended to flow. The heat exchanger has vanes made of a polymer composite material. These vanes are provided in the horizontal space and each vane comprises at least one layer of pyrolytic carbon fibers and at least two layers of a polymeric material on either side of the layer of carbon fiber material. The wings provided in the room are made from a single piece of stamped plate.

Das europäische Patent EP 2 641 031 B1 offenbart einen Wärmetauscher vom Typ einer strukturell selbsttragenden Platte, der mit einem inneren Strömungskanal versehen ist, der zwischen einer ersten und einer zweiten Platte eingespannt ist und sich zwischen einem Einlass und einem Auslass erstreckt. Der Strömungskanal ist in mehrere allgemein parallel gerichtete, sich in Längsrichtung erstreckende Kanäle unterteilt ist. Die sich in Längsrichtung erstreckenden Kanäle weisen durchgehende Verbindungen auf, die durch die beiden Platten gebildet sind. Die sich in Längsrichtung erstreckenden Kanäle weisen einen bogenförmigen Querschnitt auf.The European patent EP 2 641 031 B1 discloses a structurally self-supporting plate type heat exchanger provided with an internal flow channel clamped between first and second plates and extending between an inlet and an outlet. The flow channel is divided into a plurality of generally parallel, longitudinally extending channels. The longitudinally extending channels have end-to-end connections formed by the two plates. The longitudinally extending channels have an arcuate cross-section.

Das Gebrauchsmuster DE 20 2012 012 293 U1 beschreibt einen Plattenwärmetauscher zum Wärmeaustausch zwischen gasförmigen Stoffströmen, mit einer Vielzahl von übereinander gestapelten Wärmetauscherplatten und mit Sammlerteilen an den Zuleitungs- und Ableitungsseiten der Wärmetauscherplatten. Zwischen verbundenen Wärmetauscherplatten sind voneinander getrennte Strömungskanäle für einen ersten Stoffstrom und einen zweiten Stoffstrom gebildet. Die Stoffströme sind über Zuleit- oder Ableitkanäle der Sammlerteile voneinander getrennt den Strömungskanälen zuleitbar und von den Strömungskanälen ableitbar. Die Wärmetauscherplatten und die Sammlerteile bestehen vollständig aus einem Faser-Kunststoff-Verbundwerkstoff und die Strömungskanäle und die Zuleit- und Ableitkanäle sind durch Verkleben der Wärmetauscherplatten miteinander und mit den Sammlerteilen abgedichtet.The utility model DE 20 2012 012 293 U1 describes a plate heat exchanger for heat exchange between gaseous material flows, with a large number of heat exchanger plates stacked one on top of the other and with collector parts on the inlet and outlet sides of the heat exchanger plates. Between connected heat exchanger plates are separate flow channels for a first Material flow and a second material flow formed. The material flows can be fed to the flow channels and drained away from the flow channels separately from one another via feed or discharge channels of the collector parts. The heat exchanger plates and the collector parts consist entirely of a fiber-plastic composite material and the flow channels and the inlet and outlet channels are sealed by gluing the heat exchanger plates together and with the collector parts.

Die Patentanmeldung DE 10 2007 007 443 A1 offenbart die Herstellung von Platten aus einem mit Langglasfasern verstärkten thermoplastischen Kunststoff. Beschrieben wird ein Mischvlies aus Glasfasern und Kunststofffasern. Das Mischvlies besteht aus mindestens zwei Komponenten, einem Glasvlies und einem Vlies aus mindestens einem thermoplastischen Kunststoff, der nach dem Verdichten des Mischvlieses die Matrix der Platte ergibt. Um die erforderlichen Fließvorgänge der Kunststoffkomponente zu minimieren und um einen möglichst hohen Glasgehalt im Bedarfsfall zu erreichen, wird das Glasvlies gleichmäßig im Kunststoffvlies verteilt. Durch die Verwendung von Glasvlies als Trägermaterial liegt der Rohstoff als eine formstabile Rollenware vor, der als Bahn der Anlagentechnik zugeführt werden kann. Die Schmelzung der Matrixkomponente erfolgt kontaktlos per Strahler. Das Glasvlies als Trägermaterial gibt der Bahn trotz geschmolzener Kunststoffkomponenten die erforderliche mechanische Stabilität. Die Bahn wird dann mehreren Kühlwalzen zugeführt, welche die Kunststoffkomponente des Vlieses von außen nach innen beidseitig unter die Schmelztemperatur abkühlen. Weitere paarweise angeordnete Kühlwalzen kalibrieren die Platte und sorgen für die weitere Abkühlung und die endgültige Formgebung.The patent application DE 10 2007 007 443 A1 discloses the manufacture of panels from a thermoplastic reinforced with long glass fibers. A mixed fleece made of glass fibers and plastic fibers is described. The mixed fleece consists of at least two components, a glass fleece and a fleece made of at least one thermoplastic material, which results in the matrix of the panel after the mixed fleece has been compressed. In order to minimize the necessary flow processes of the plastic component and to achieve the highest possible glass content if necessary, the glass fleece is evenly distributed in the plastic fleece. Due to the use of glass fleece as a carrier material, the raw material is available as a dimensionally stable roll that can be fed to the plant technology as a web. The matrix component is melted without contact using a emitter. The glass fleece as the carrier material gives the web the necessary mechanical stability despite the melted plastic components. The web is then fed to several cooling rollers, which cool the plastic component of the fleece on both sides from the outside to below the melting temperature. Additional cooling rollers arranged in pairs calibrate the plate and ensure further cooling and final shaping.

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 that include highly thermally conductive plates that have high strength. Furthermore, there is a need for the plates to also 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 field of composite materials for plate heat exchangers refer exclusively to the specific strength and rigidity properties of carbon fibers due to a fiber orientation parallel to the component plane. However, no plate heat transfer systems are known in the prior art in which the plastic plates according to 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.
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.It is therefore the object of the present invention to overcome the disadvantages of the prior art and to provide plates for plate heat exchangers which are advantageous compared to the prior art.
The advantageous properties of the plates according to the invention over those of the prior art also mean that plate heat exchangers equipped therewith are advantageous over devices of the prior art. In particular, a significant increase in energy efficiency is to be achieved while at the same time reducing the system weight.

Die Aufgabe wird durch eine Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1, ein Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte gemäß Patentanspruch 5 und einen Plattenwärmeübertrager gemäß Patentanspruch 8 gelöst.The object is achieved by a carbon fiber reinforced plastic plate having the features of patent claim 1, a method for producing a carbon fiber reinforced plastic plate according to patent claim 5 and a plate heat exchanger according to patent claim 8.

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 thermally conductive carbon fiber reinforced plastic plates can be provided which are also suitable for use in plate heat exchangers. Thus, plate heat exchangers with plates based on highly thermally conductive carbon fiber reinforced plastic (CFRP) can be provided.

Hierzu werden aus den offenbarten 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 panels are produced from the disclosed planar carbon fiber-based semi-finished plastic products. The production takes place in a specially developed device according to a production method according to the invention. 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.The stability of the carbon-fiber-reinforced plastic, despite its low weight, is an advantage over conventionally used metallic materials. Furthermore, the CFRP heat exchanger plates according to the invention are corrosion-resistant and, due to the selection of the plastic matrix, enable a large variability of the properties in relation 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 when producing the heat exchanger plates according to the invention. For this purpose, the carbon fibers in the plastic plate are essentially aligned at a specific angle to the plane of the plate.

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 providing thin-walled, carbon fiber-based plastic semi-finished products from which CFRP profile plates can be produced using the method according to the invention, which have a specific thermal conductivity.

Besonders vorteilhaft ist hierbei, dass es möglich ist, aus einer Ausführungsform des offenbarten Halbzeugs Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatten herzustellen, die sich in ihrer Wärmeleitung unterscheiden. Dadurch werden Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatten bereitgestellt, die für unterschiedlichste Anwendungen geeignet sind.It is particularly advantageous here that it is possible to produce carbon-fiber-reinforced plastic plates from one embodiment of the disclosed semi-finished product, which differ in their heat conduction. This provides carbon fiber reinforced plastic panels that are 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 offenbarten 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 is explained in more detail with the accompanying drawings. It shows:
  • 1 shows a schematic representation of a highly thermally conductive heat exchanger profile plate according to the invention;
  • 2a : the temperature curve for a stainless steel plate heat exchanger;
  • 2 B : the temperature curve in a CFRP plate heat exchanger according to the invention, namely with a carbon fiber reinforced plastic plate according to the invention;
  • 3a : the formation of the highly thermally conductive carbon-fiber-reinforced plastic sheet according to the invention by means of multi-layer, meandering webs of the carbon-fiber-based semi-finished plastic product (also referred to as prepreg) with transverse reinforcement,
  • 3b : a detailed view of the in 3a shown representation;
  • 4a - 4c : a schematic representation of the procedural approach to the manufacturing implementation of the plastic profile plates according to the invention;
  • 5 1 is a schematic representation of the disclosed modular press tool;
  • 6a : a schematic representation of the carbon fiber reinforced plastic plate 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 durch die Bereitstellung einer Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte gelöst, die eine Länge und eine Breite besitzt, bestehend aus mindestens zwei in Längsrichtung übereinander ange- ordneten Lagen des offenbarten flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs.The object of the invention is achieved by providing a carbon-fiber-reinforced plastic plate which has a length and a width consisting of at least two layers of the disclosed planar carbon-fiber-based semi-finished plastic product arranged one on top of the other in the longitudinal direction.

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 is provided with a length and a width, comprising a polymer matrix and carbon fibers therein which are essentially aligned in the direction of the length of the plastic semi-finished product and have a thermal conductivity in the fiber direction of at least 300 W/m·K.

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 flat 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 is advantageous in which the polymer matrix of the flat carbon fiber-based plastic semi-finished product is formed from polypropylene, polyethylene or polyamide or mixtures thereof.

Erfindungsgemäß 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.According to the invention is a carbon fiber reinforced plastic panel in which the carbon fibers in the plastic panel are aligned essentially at an angle of between 10° and 90° to the plane of the panel.

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

Darüber hinaus wird die Aufgabe der Erfindung durch ein Verfahren zur Herstellung der erfindungsgemäßen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte gelöst, wobei man mindestens zwei Lagen des offenbarten flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs übereinander in Längsrichtung anordnet und miteinander verbindet.In addition, the object of the invention is achieved by a method for producing the carbon-fiber-reinforced plastic plate according to the invention, wherein at least two layers of the disclosed planar carbon-fiber-based semi-finished plastic product are arranged one on top of the other in the longitudinal direction and connected to one another.

Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren werden die Lagen des offenbarten 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.According to the method according to the invention, the layers of the disclosed planar carbon-fiber-based plastic semi-finished product are arranged one on top of the other in such a way that the carbon fibers in the plastic sheet are essentially aligned at an angle of between 10° and 90° to the plane of the sheet.

Erfindungsgemäß ist ein Verfahren, bei dem die Lagen des offenbarten flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs mäanderförmig ausgerichtet sind und die Kohlenstofffasern in der Kunststoffplatte im Wesentlichen einen Winkel von 10 ° bis 90 ° zur Plattenebene ausbilden.According to the invention is a method in which the layers of the disclosed planar carbon fiber-based plastic semi-finished product are aligned in a meandering pattern and the carbon fibers in the plastic plate essentially form an angle of 10° to 90° to the plane of the plate.

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

Besonders bevorzugt ist ein Verfahren, bei welchem man die Lagen des offenbarten flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs in einer Heißpresse anordnet, komprimiert, plastifiziert und verfestigt.A method is particularly preferred in which the layers of the disclosed planar carbon fiber-based semi-finished plastic product are arranged, compressed, plasticized and solidified in a hot press.

Weiterhin offenbart wird die Bereitstellung einer Heißpresse zur Herstellung einer erfindungsgemäßen Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte, welche Steifigkeitsfaserführungen 9, 10, und Faserspulen 14, 17, aufweist.Also disclosed is the provision of a hot press for producing a carbon fiber reinforced plastic panel according to the invention, which has rigidity fiber guides 9, 10 and fiber coils 14, 17.

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 offenbarten 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 disclosed thin-walled, carbon fiber-based plastic semi-finished products, thermally conductive heat exchanger systems with a significantly reduced component weight compared to the prior art can be provided. The high-modulus carbon fibers used for this are characterized by high specific strength and rigidity properties in addition to the high thermal conductivity in the fiber direction (≈1200 W/m·K).

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 the highest heat conduction properties, the heat conduction of which is 3 times higher than that of pure copper and 50 times higher than that of stainless steel.

Durch eine spezielle Ausrichtung der Kohlenstofffasern in der aus den Halbzeugen erzeugten Kunststoffplatte, nämlich eine im Wesentlichen geneigte mäanderförmige Ausrichtung der Fasern mit hohem Normalen-Anteil zur Plattenebene, kann die enorme Wärmleitfähigkeit des Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffes (p = 2,2 g/cm 3) in Faserrichtung ausgenutzt und eine hohe Festigkeit sowie Steifigkeit der Profilplatten erzielt werden.Due to a special orientation of the carbon fibers in the plastic sheet produced from the semi-finished products, namely an essentially inclined, meandering orientation of the fibers with a high proportion of normal to the sheet plane, the enormous thermal conductivity of the carbon-fibre-reinforced plastic (p = 2.2 g / cm 3 ) in the direction of the fibers and a high level of 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 an enormous reduction in system weight and a considerable 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, nämlich 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 thermally conductive CFRP profile sheets are high-modulus or ultra-high-modulus carbon fibers, which are fixed by a thin thermoplastic matrix in a prepreg semi-finished product. During static hot pressing, these prepreg layers are stacked and, according to the required fiber orientation, in the plate tool of the temperable and coolable stand press in the desired manner, i.e. arranged in a meandering shape and simultaneously compressed at the processing temperature (approximately at the matrix melting temperature) 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 offenbarten Kunststoffhalbzeuge werden 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 therefore used according to the invention to produce the profile plates according to the invention. To produce these disclosed plastic semi-finished products, high-modulus (HM) carbon fibers are used 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 rigidity 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.
Diese erfindungsgemäß verwendeten Kohlenstofffasern sind kommerziell erhältlich.In a particularly preferred embodiment, “ultra high modulus” (UHM) special carbon fibers are used, which have particularly advantageous thermal conductivity properties. Their heat conduction is 3 times higher than that of pure copper and 50 times higher than that of stainless steel.
These carbon fibers used in the present 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, where heat conduction is isotropic, the thermal conductivity of carbon fibers is generally highly anisotropic and highest in the direction of the fibers. Due to the high carbon yield, UHM fibers are produced on a polyacrylonitrile (PAN) (50%) or pitch (> 80%) base. The high thermal conductivity results from a special graphitization during the manufacturing process at temperatures of up to 3000 °C. This increases the pre-orientation of the graphite planes in the direction of the fiber axis, so that the covalent crystal bonds result in a strongly anisotropic material behavior. As a result, the heat conduction is transverse to the fiber direction
approx. 1 - 2 W / m K . In the composite, the thermal conductivity is reduced depending on the fiber content. For example, with a unidirectional laminate structure with 60% fiber volume content and 40% plastic matrix, a thermal conductivity in the direction of the fibers of more than 700 W / m·K can be achieved.

Hochmodulige Kohlenstofffasern (HM - high modulus, C-Gehalt 99 Gew.-%) sind elektrisch gut leitend. Der spezifische elektrische Widerstand liegt bei ρ = 8 (HM-Faser).
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.High-modulus carbon fibers (HM - high modulus, carbon content 99% by weight) have good electrical conductivity. The specific electrical resistance is ρ = 8 (HM fiber).
Ultra high modulus fibers (UHM - ultra high modulus, C content >99% by weight) UHM types are also referred to as graphite fibers because the temperature during this second variant of production 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, i.e. high modulus fibers, oxidize far less and can be used at even higher temperatures. Since C 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 Thenn. Ausdehnungskoeff. quer αTf⊥ [10-6/°C] 12,5 31 Zugfestigkeit R f | | +

Figure DE102017108079B4_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 Modulus of elasticity along E f∥ in N/mm 2 230 000 245 000 294 000 392 000 450 000 Modulus of elasticity transverse E f⊥ in N/mm 2 28 000 15 200 G module G f⊥∥ in N/mm 2 50 000 28 600 Poisson's ratio ν f⊥∥ 0.23 0.2 thermal coefficient of expansion along α Tf∥ [10 -6 /°C] -0.455 -1.08 then coefficient of expansion transverse α Tf⊥ [10 -6 /°C] 12.5 31 tensile strenght R f | | +
Figure DE102017108079B4_0001
 in Nm2 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 in Mäanderform in einem Presswerkzeug.In one embodiment of the invention, the inventors provide a method for the targeted alignment of highly thermally conductive carbon fibers with a high proportion normal to the plate plane of profile plates for heat transfer systems. Furthermore, the inventors disclose a pressing tool and the integration of the meander-shaped semi-finished product guide in a pressing tool.

Beispielhaft kann die Erfindung in hoch effizienten Plattenwärmeübertragungssystemen aus dünnwandigen (t = < 1 mm) hochwärmeleitfähigen CFK-Profilplatten umgesetzt werden.For example, the invention can be implemented in highly efficient plate heat transfer systems made from thin-walled (t=<1 mm) highly thermally 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 great interest in the processing industry (metal industry, mechanical engineering, motor vehicles, paper products, food, electrical industry, chemical products) and here 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, where heat conduction is isotropic, the thermal conductivity of carbon fibers is generally highly anisotropic and highest in the direction of the fibers. As a result, the heat conduction transverse to the direction of the fibers is approx. 1 - 2 W / m·K . In the composite, the thermal conductivity is reduced depending on the fiber content. For example, with a unidirectional laminate structure with 60% fiber volume content and 40% plastic matrix, a thermal conductivity in the direction of the fibers 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 explain the invention in more detail without restricting 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.How an optimal thermal conductivity of panels produced from a given semi-finished product (prepreg) is obtained is explained using 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 (p = 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 (p=2.2 g / cm 3 ) in the direction of the fibers and a high level of strength and rigidity are utilized by a specially inclined, meandering alignment of the carbon fibers with a high proportion of normals to the plane of the profile plate of the plates achieved.

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 an enormous reduction in system weight and a considerable improvement in corrosion resistance through the use of a thermoplastic matrix. For this purpose, the materials polypropylene (PP), polyethylene (PE) or polyamide (PA) are used as matrix material with regard to their mechanical and thermal properties. In addition, the use of adhesive technology to connect and seal the profile plates makes it possible to substitute weight-intensive pressure plates and thus exploit the full potential of lightweight construction.

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 worden.For the implementation of the thin-walled profile plates required for this with UHM fibers oriented inclined to the component plane and fixed by a plastic matrix, a process for the production of corresponding flat semi-finished products has also been 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 thermally conductive carbon fiber reinforced plastic plate 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 are shown. According to the invention, the heat flow in the XY direction is lower than that in the Z direction due to the orientation of the carbon fibers.

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 an exemplary thermally transient simulation of a CFRP plate heat exchanger system (profile plate thickness 1 mm; fiber volume content 60%; inclination of the UHM fibers to the profile plate level 30°). Evidence of stainless steel-based plate heat exchangers (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.
Dies ist in 2a gezeigt.For this purpose, 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 for both systems. After a period of approx. 100 s, the stainless steel-based plate heat exchanger achieves an almost linear temperature profile with a resulting temperature gradient of 2.8 °C.
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 achieves the same temperature difference after half the time and a temperature gradient of 1.12 °C after 100 s, which is 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.From this it can be seen that, assuming a fiber volume content of 60% and, compared to the stainless steel plate heat exchanger, the same profile plate length and profile plate width, as well as the same temperature conditions, the highly thermally conductive CFRP plate heat exchanger can achieve twice the heat transfer performance. By means of the high thermal conductivity and the very low profile plate thickness, the use of the CFRP profile plates according to the invention in plate heat exchangers results in a variety of constructive advantages, which are completely new, more compact and at the same time enable more efficient construction. In addition, with the help of the CFRP profile plates, an enormous weight saving of more than 60% compared to stainless steel plate heat exchangers 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
  • 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.
If you compare the weight of a standardized plate heat exchanger with a number of profile plates of 150 and a total transfer area of 26.36 m 2 using the above materials, the following values in kg result:
  • CFRP profile plate: 47.43
  • Titanium Alloy: 71.15
  • Stainless steel: 131.5
  • Copper alloy: 140.73
  • Diabon Graphite: 421.68
  • The following are compared: a 1 mm CFRP 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.In one embodiment, the starting point for the production of the highly thermally conductive carbon-fiber-reinforced plastic panels are UHM carbon fibers, which are fixed by a thin thermoplastic matrix in a semi-finished prepreg 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 necessary because systems of this type with UHM carbon fibers are not currently available on the market. The surface is formed using the film stacking process.

Hierbei werden die UHM-Fasern mit dem folienförmig vorliegenden Matrixwerkstoff zu einer sog. unidirektionalen Einzelschicht kombiniert.Here, the UHM fibers are combined with the film-like matrix material to form a so-called unidirectional single layer.

Die dadurch bereitgestellten 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 semi-finished products (prepregs) provided in this way form the preliminary stage for the production of the highly thermally conductive plastic panels. For this purpose, the UHM carbon fibers of the unidirectional prepregs are aligned with a high normal proportion to the profile plate level.

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 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 high thermal conductivity of the plastic plates can be achieved if the carbon fibers in the plate are oriented at an angle of between 10° and 90° to the subsequent plane of the plate. Such an alignment of the carbon fibers is achieved according to the invention in that the semi-finished webs are arranged in a meandering, multi-layered and unidirectional manner before they are pressed to form a plate. In a preferred embodiment, additional rovings ("stiffness fibers") are introduced into the component level - in the meander curves - during the profiling so that the profile plates have sufficient transverse strength and transverse stiffness properties in addition to the high thermal conductivity in the thickness direction.

Diese Ausführungsform ist in den 3a und 3b gezeigt. Dargestellt ist die Herstellung der hochwärmeleitfähigen Profilplatten durch mehrlagiges, mäanderförmig angeordnetes, flächiges 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 the highly thermally conductive profile plates by means of multi-layer, meander-shaped, flat carbon fiber-based semi-finished plastic products (here UHM prepreg layers) with transverse reinforcement. A portion shown in 3b , is shown enlarged. The carbon fiber reinforced prepregs are aligned in a meandering pattern and processed using press technology.

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 in a meandering pattern in accordance with the required fiber orientation in the platen tool of the temperature-controlled and coolable stand press and simultaneously compressed at the processing temperature (approximately at the matrix melting temperature). In order to be able to produce particularly high-quality components, a robust mold system with process monitoring (cavity pressure p WZi , temperature), homogeneous heat distribution (arrangement of heating cartridges) and a corresponding control system for reliable process management and temperature control was 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 Figure 12 shows a schematic representation of the novel modular press tooling developed for the manufacture of the carbon fiber reinforced plastic panels of the present 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.
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 eine Ausrichtung der Kohlenstofffasern aus der Ebene der Platte heraus bewirkt.In a preferred embodiment, the laterally introduced “stiffness fibers” convert the prepreg semi-finished products into a meandering arrangement and the semi-finished products are compressed by means of the press tool.
Depending on the position and number of stiffening fibers, the layers of the semi-finished product are at least partially lifted out of the level of the press cavity before pressing. The layers can protrude from the plane of the cavity of the press in a wavy or angled manner. Pressing fixes this arrangement, which causes the carbon fibers to align 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 rigidity fibers, but they do not have to have any special thermal conductivity. The use of carbon fibers is advantageous 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 thermally conductive profile plates produced in the pressing process are then given their final cut. In addition, recesses are made for the media supply and media outlet, as well as the preparation of the boundary surfaces for the adhesive joining of the individual profile plates. The use of adhesive technology means that weight-intensive pressure plates and additional seals, which are common in bolted plate heat exchangers, become unnecessary, which means that the operating weight can be reduced even further. 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 thermally conductive profile plates according to the invention, a considerable increase in the energy efficiency of the plate heat exchangers equipped with them is achieved in comparison to the prior art, while at the same time reducing the system weight.

BezugszeichenlisteReference List

AA
Querrichtungtransverse direction
BB
Längsrichtunglongitudinal direction
22
mäanderförmige Anordnung des Kohlenstoff-basierten Kunststoffhalbzeugsmeandering arrangement of the carbon-based plastic semi-finished product
33
Steifigkeitsfasern (Querversteifung)Stiffness fibers (transversal stiffening)
44
Presse obenpress up
66
Kavitätcavity
77
Presse untenpress down
88th
Kohlenstoff-basiertes KunststoffhalbzeugCarbon-based semi-finished plastic
99
Steifigkeitsfaserführung obenStiffness fiber guide above
1010
Steifigkeitsfaserführung untenStiffness fiber guide below
1111
Rolle von Kohlenstoff-basiertem KunststoffhalbzeugRoll of carbon-based plastic semi-finished products
1212
Förderwalzenconveyor rollers
1313
Stapel von Kohlenstoff-basiertem Kunststoffhalbzeug (Prepreg-Stapel)Stack of carbon-based semi-finished plastic products (prepreg stack)
1414
Faserspulen untenfiber spools below
1515
Steifigkeitsfasernstiffness fibers
1616
Führung für Kohlenstoff-basiertes KunststoffhalbzeugGuide for carbon-based semi-finished plastic products
1717
Faserspulen obenfiber spools above
1818
Paket von Kohlenstoffaser-verstärkten Kunststoff-ProfilplattenPackage of carbon fiber reinforced plastic profile sheets
1919
Medien Ein- und AuslassMedia inlet and outlet
101101
Kohlenstofffaser-verstärkte KunststoffplatteCarbon fiber reinforced plastic panel
102102
Pressenwerkzeugpress tool
103103
Kohlenstoffaser-verstärkte Kunststoff-ProfilplatteCarbon fiber reinforced plastic profile plate
104104
Plattenwärmeübertragerplate heat exchanger

Claims (8)

Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, die eine Länge und eine Breite besitzt, bestehend aus mindestens zwei in Längsrichtung übereinander angeordneten, mäanderförmig ausgerichteten Lagen eines flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs 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, und die Kohlenstofffasern in der Kunststoffplatte im Wesentlichen in einem Winkel zwischen 10 ° bis 90 ° zur Plattenebene ausgerichtet sind.Carbon-fiber-reinforced plastic plate, which has a length and a width, consisting of at least two layers of a flat carbon-fiber-based plastic semi-finished product, arranged one on top of the other in the longitudinal direction and aligned in a meandering shape, with a length and a width, comprising a polymer matrix and therein essentially in the direction of the length of the Plastic semi-finished carbon fibers aligned, which have a thermal conductivity in the fiber direction of at least 300 W / m · K, and the carbon fibers in the plastic plate are aligned substantially at an angle between 10 ° to 90 ° to the plane of the plate. Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kohlenstofffasern des flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs ausgewählt sind aus hochmoduligen und ultrahochmoduligen Kohlenstofffasern.Carbon fiber reinforced plastic sheet, according to claim 1 , characterized in that the carbon fibers of the flat carbon-fiber-based semi-finished plastic product are selected from high-modulus and ultra-high-modulus carbon fibers. Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Polymermatrix des flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs gebildet ist aus Polypropylen, Polyethylen oder Polyamid oder deren Mischungen.Carbon fiber reinforced plastic sheet, according to claim 1 or 2 , characterized in that the polymer matrix of the flat carbon fiber-based plastic semi-finished product is formed from polypropylene, polyethylene or polyamide or mixtures thereof. Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatte, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kunststoffplatte weiterhin Steifigkeitsfasern umfasst.Carbon fiber reinforced plastic sheet, according to one of Claims 1 until 3 , characterized in that the plastic plate further comprises stiffness fibers. Verfahren zur Herstellung einer Kohlenstofffaser-verstärkten Kunststoffplatte, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei man mindestens zwei Lagen des flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs übereinander in Längsrichtung derart anordnet, dass die Lagen des flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs mäanderförmig ausgerichtet sind und die Kohlenstofffasern in der Kunststoffplatte im Wesentlichen einen Winkel von 10 ° bis 90 ° zur Plattenebene ausbilden, und man die Lagen miteinander verbindet.Process for the production of a carbon fiber reinforced plastic plate according to one of Claims 1 until 4 , wherein at least two layers of the flat carbon-fiber-based plastic semi-finished product are arranged one on top of the other in the longitudinal direction in such a way that the layers of the flat carbon-fiber-based plastic semi-finished product are aligned in a meandering pattern and the carbon fibers in the plastic plate essentially form an angle of 10° to 90° to the plane of the plate, and join the layers together. Verfahren gemäß Anspruch 5, zur Herstellung einer Kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffplatte, gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass Steifigkeitsfasern in Querrichtung zu den Lagen des flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs auf mindestens einer der Lagen vor dem Verbinden der Lagen angeordnet werden.procedure according to claim 5 , for the production of a carbon fiber reinforced plastic plate, according to claim 4 , characterized in that stiffness fibers are arranged in the transverse direction to the layers of the planar carbon fiber-based plastic semi-finished product on at least one of the layers before the layers are connected. Verfahren, gemäß einem der Ansprüche 5 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass man die Lagen des flächigen Kohlenstofffaser-basierten Kunststoffhalbzeugs einer Heißpresse anordnet, komprimiert, plastifiziert und verfestigt.Method according to one of Claims 5 until 6 , characterized in that the layers of the flat carbon fiber-based plastic semi-finished product are arranged, compressed, plasticized and solidified in a hot press. Plattenwärmeübertrager, in welchem Kohlenstofffaser-verstärkte Kunststoffplatten, gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, angeordnet sind.Plate heat exchanger, in which carbon fiber reinforced plastic plates, according to one of Claims 1 until 4 , are arranged.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102020205287A1 (en) * 2020-04-27 2021-10-28 Siemens Aktiengesellschaft Electric rotating machine, electric motor or liquid pump with a can
DE102021109621A1 (en) 2021-04-16 2022-10-20 BRANDENBURGISCHE TECHNISCHE UNIVERSITÄT COTTBUS-SENFTENBERG, Körperschaft des öffentlichen Rechts structural component and vehicle

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007007443A1 (en) 2007-02-15 2008-08-21 Schürmann, Erich, Dr. Thin plastic plates manufacturing method for e.g. vehicle external lining, involves heating webs to melting temperature of synthetic material by radiation and convection, and cooling and compressing webs together by cooling rolls
WO2012093063A1 (en) 2011-01-04 2012-07-12 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Heat exchanger made of polymer and composite materials
DE202012012293U1 (en) 2012-11-30 2013-12-19 CALORPLAST WÄRMETECHNIK GmbH Plate heat exchanger
EP2641031B1 (en) 2010-11-16 2014-12-03 Hiform AS Heat exchanger of the plate type
US20160091265A1 (en) 2013-06-19 2016-03-31 Dexerials Corporation Thermally Conductive Sheet and Method for Producing Thermally Conductive Sheet

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007007443A1 (en) 2007-02-15 2008-08-21 Schürmann, Erich, Dr. Thin plastic plates manufacturing method for e.g. vehicle external lining, involves heating webs to melting temperature of synthetic material by radiation and convection, and cooling and compressing webs together by cooling rolls
EP2641031B1 (en) 2010-11-16 2014-12-03 Hiform AS Heat exchanger of the plate type
WO2012093063A1 (en) 2011-01-04 2012-07-12 Commissariat à l'énergie atomique et aux énergies alternatives Heat exchanger made of polymer and composite materials
DE202012012293U1 (en) 2012-11-30 2013-12-19 CALORPLAST WÄRMETECHNIK GmbH Plate heat exchanger
US20160091265A1 (en) 2013-06-19 2016-03-31 Dexerials Corporation Thermally Conductive Sheet and Method for Producing Thermally Conductive Sheet

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