Die vorliegende Erfindung betrifft eine thermisch und elektrisch leitende Flüssigkeit, sowie ihre Herstellung und ihre Verwendung.

Flüssigkeiten zur Übertragung von Wärme bzw. Kälte - im Folgenden Temperiermedien genannt - sind in einer Vielzahl von Bereichen zu finden. Beispiele sind Industrieprozesse, Anlagen, Maschinen, Motoren, technische Apparate, Klimatisierung von Gebäuden, Nutzung geothermischer und solartechnischer Energie. Dabei wachsen die Anforderungen an die jeweiligen Wärme- und Kälteträger stets an.

Neben Wasser, das aufgrund seiner thermophysikalischen Eigenschaften ein bevorzugtes Medium für Temperieraufgaben darstellt, werden je nach Anforderungen im Temperaturniveau und der Viskosität für die jeweilige Anwendung auch spezielle Flüssigkeiten beispielsweise auf Basis mehrwertiger Alkohole, wie Propy- lenglykol, eingesetzt.

Zu Temperiermedien wie z. B. Wasser und Alkoholen werden für zahlreiche Anwendungen und zum Schutz von Rohrsystemen, durch die Flüssigkeit geleitet wird, sowie von Pumpen und dergleichen Zusatzstoffe, wie etwa Salze, Silicate, Disper- gatoren, UV-Stabilisatoren, Frostschutzmittel, Korrosionsschutzmittel, Inhibitoren und weitere hinzugefügt. Aufgrund dieser meist unumgänglichen Zugabe von Zusatzstoffen entstehen Temperiermedien, deren Wärmeleitfähigkeit signifikant vermindert ist. Besitzt herkömmliches Wasser noch eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,58 W/mK, liegt die Wärmeleitfähigkeit bei Flüssigkeitsgemischen, die derzeit herkömmlich als Wärme- oder Kälteträger eingesetzt werden, nur noch in einem Bereich von etwa 0,02 - 0,25 W/mK.

Es besteht daher das Bestreben, die Wärmeleitfähigkeit derartiger herkömmlicher Temperiermedien zu erhöhen. Zu diesem Zweck wurden den flüssigen Temperiermedien die Wärmeleitfähigkeit steigernde Flüssigkeiten zugemischt, um Emulsionen zu erzeugen, oder mit Feststoffen Suspensionen erzeugt. Der Einsatz von Feststoffen wie z. B. Metallpulver hoher Wärmeleitfähigkeit, wie etwa Kupfer oder Aluminium, hat jedoch gravierende Nachteile. So setzen sich die Metallpulver aufgrund der Dichte herkömmlicher Temperiermedien zwischen etwa 0,60 und 1 ,20 g/cm ³ sehr schnell ab, besitzen eine stark abrasive Wirkung auf Rohrleitungen und Pumpen und reagieren zum Teil chemisch mit den flüssigen Temperiermedien oder vor allem auch mit den Zusatzstoffen. So reagieren Kupferpartikel beispielsweise stark mit Salzen.

Aus diesem Grund konzentriert sich die Forschung darauf, Feststoffe hoher Wärmeleitfähigkeit als Nanopulver in die Temperierflüssigkeit einzubringen. Dies soll einem sehr schnellen Absinken und einer starken Abrasion entgegenwirken. Nachteilig ist hierbei jedoch der hohe Aufwand zur Herstellung derartiger Pulver, verbunden mit den dadurch entstehenden Kosten. Außerdem neigen Nanopulver stets zu Agglomeration, was wiederum mit hohem Aufwand verhindert werden muss. Zudem müssen für eine signifikante Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit nach ersten Studien sehr hohe Mengen von mehr als 5 - 10 Gew.-% an Nanopulver zugegeben werden.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die oben genannten Nachteile zu überwinden und insbesondere ein leicht herzustellendes Temperiermedium hoher Wärmeleitfähigkeit bereitzustellen, das keine Abrasion bewirkt und chemisch relativ inert ist.

Diese Aufgabe wird mit einer Temperierflüssigkeit mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Das erfindungsgemäße Temperiermedium enthält als die Wärmeleitfähigkeit erhöhenden Feststoff Kohlenstoffpartikel. Kohlenstoff besitzt eine hohe Wärmeleitfähigkeit, sinkt wegen seiner geringen Dichte in einer Flüssigkeit nur langsam ab und bewirkt praktisch keine Abrasion. Desweiteren ist Kohlenstoff chemisch inert, so dass er sich selbst in chemisch aggressiven Flüssigkeiten nicht verändert, zudem nicht mit Zusatzstoffen reagiert und somit auch nicht die Eigenschaften der Flüssigkeit beeinflusst. Darüber hinaus ist das erfindungsgemäße Temperiermedium preiswert und macht keine oder höchstens geringfügige Umkon- struktionen bestehender Anlagen erforderlich. Dies betrifft beispielsweise Rohrquerschnitte und Pumpenleistungen.

Vorteilhafterweise ist der Anteil an Kohlenstoffpartikeln im Temperiermedium kleiner als 20 Gew.-%, bevorzugt kleiner als 10 Gew.-%, insbesondere kleiner als 5 Gew.-%. Besonders vorteilhaft ist ein Anteil zwischen 0,1 und 2 Gew. %. Bisher bestand das Bestreben in der Literatur, brücken- oder gerüstartig eine hohe Anzahl von Kontakten der Partikel untereinander zu erzielen, um ab einem gewissen Schwellenwert eine stark erhöhte Wärmeleitfähigkeit zu erreichen. Im Gegensatz dazu besitzt ein erfindungsgemäßes Temperiermedium bezüglich des Anteils an Kohlenstoffpartikeln keinen Schwellenwert, so dass überraschenderweise bereits bei den genannten bevorzugten geringen Anteilen von Kohlenstoff in der Flüssigkeit die Wärmeleitfähigkeit sehr hoch ist. Die vorliegende Erfindung umfasst selbstverständlich jedoch auch deutlich höhere Anteile an Kohlenstoffpartikeln von beispielsweise bis zu 50 Gew.-% und darüber, sogar bis zu 70 bzw. 95 Gew.-%.

Überraschenderweise ist die Wärmeübertragung durch ein erfindungsgemäßes Temperiermedium auch im bewegten Zustand sehr hoch, da die Wärme nicht nur kontinuierlich übertragen wird, sondern vor allem durch einzelne Stöße von Kohlenstoffpartikeln an die Wandung eines Behälters, wie eines Rohres, in dem das Temperiermedium zum Zwecke des Wärme- oder Kältetransports enthalten ist. Somit wirken einzelne Kohlenstoffpartikel als Temperaturträger, die untereinander und zur Wandung hin Wärme oder Kälte transportieren.

Bevorzugt ist die Flüssigkeit des Temperiermediums eine Flüssigkeit aus der Gruppe bestehend aus Wasser, Alkoholen, wie Propanol, Glycerin, Glykol, wie etwa Ethylenglykol oder Propylenglykol, und Kohlenwasserstoffen, wie auf der Basis von Mineralölen, Siliconölen, hydrierten Ölen, Petroleum, Paraffinen oder Naphtha-basierten Ölen, Siliconölen, oder dergleichen, Estern oder Ethern, wie z.B. Phosphatester, sowie Aromaten oder eine Mischung von zumindest zwei solchen Flüssigkeiten.

Wasser hat den Vorteil, dass es eine preiswerte, leicht verfügbare Flüssigkeit geeigneter Viskosität ist, die z. B. neben Quecksilber die höchste Leitfähigkeit aller Flüssigkeiten aufweist.

Alkohole haben den Vorteil, dass sie im typischen Anwendungsbereich zwischen minus 60 ⁰ C und 300 ⁰ C nicht fest werden und ihnen daher keine Frostschutzmittel zugesetzt werden muss.

Kohlenwasserstoffe werden im typischen Anwendungsbereich zwischen minus 60 ⁰ C und 300 ⁰ C ebenfalls nicht fest und haben darüber hinaus den Vorteil, als Schmiermittel zu wirken.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung sind der Flüssigkeit Zusatzstoffe, wie Salze, Silicate, Dispergatoren, UV-Stabilisatoren, Frostschutzmittel, Korrosionsschutzmittel und Inhibitoren zugegeben. Typische Frostschutzmittel sind Glykol, wie Ethylenglykol und Propylenglykol, und Salze, beispielsweise auf der Basis von Kaliumformiat bzw. Kaliumpropionat.

Des Weiteren können als Flüssigkeit des erfindungsgemäßen Temperiermediums vorteilhafterweise auch verflüssigte Gase, wie Stickstoff bei -196 ⁰ C, eingesetzt werden. Auch in solchen Flüssigkeiten wirken die oben genannten Vorteile.

Weiterhin ist gemäß einer weiteren bevorzugten Variante der Erfindung die Flüssigkeit eine Schmelze, insbesondere eine Polymerschmelze. Diese ist bei hohen Temperaturen, wie sie beispielsweise bei solarthermischen Anlagen vorkommen, besonders gut als Flüssigkeit geeignet. Als Polymere kommen insbesondere Thermoplaste, wie etwa Polyethylen, Polypropylen, Polystyrol, Polyvinylchlorid und ähnliche Thermoplaste, sowie Compounds von zumindest zwei dieser Polymere in Frage. Diese sind beispielsweise in Temperaturbereichen zwischen 180 und 450 ⁰ C einsetzbar, je nachdem wo deren Schmelzpunkt liegt und ab welcher Temperatur sie sich zersetzen. Derartige Schmelzen haben den Vorteil eines geringen Dampfdrucks bei hohen Temperaturen.

Bevorzugt eingesetzte Kohlenstoffpartikel sind Partikel enthaltend synthetischen Graphit, Naturgraphit, Ruß, Kohlenstofffasern, Graphitfasern oder expandierten Graphit. Die Partikel können hierbei auch als Flocken, Pulver, Granulat und Ag- glomerat, bzw. Flakes vorliegen. Unter Flakes sind Stücke von expandierter Graphitfolie von etwa 5-10 mm Kantenlänge zu verstehen.

Expandierter Graphit wird durch Expansion von Graphit meist mittels Säure- und Temperatureinwirkung hergestellt und liegt dann meist flockenförmig vor. Expandierter Graphit und seine Herstellung sind dem Fachmann bekannt und werden daher an dieser Stelle nicht näher erläutert. Graphitfolie wird durch zumindest teilweises Wiederverdichten von expandiertem Graphit hergestellt und ist ebenfalls aus der Literatur bekannt.

Unter expandiertem Graphit ist im Rahmen der Erfindung auch gemahlener zumindest teilweise verdichteter expandierter Graphit zu verstehen. Dies ist beispielweise Graphitfolie, die in einem Mahlvorgang zerkleinert wird. Zusätzlich zur Zerkleinerung werden die Partikel aus expandiertem Graphit zumindest teilweise wieder verdichtet, so dass gemahlener expandierter Graphit gegenüber ungemahlenem expandiertem Graphit eine höhere Dichte von zwischen 0,1 und 1 ,8 g/cm ³ besitzt, bevorzugt zwischen 0,4 und 1 ,4 g/cm ³ .

Ebenso sind im Rahmen der Erfindung zerkleinerte Stücke von Graphitfolie als sogenannte Flakes einsetzbar. Der Einsatz von Graphitfolienstücken hat insbesondere den Vorteil, Reststücke von Graphitfolie bei deren Herstellung bzw. Weiterverarbeitung nutzen zu können.

Expandierter Graphit hat den Vorteil einer besonders niedrigen Dichte, der ein langes Schweben der Partikel in der Flüssigkeit zur Folge hat. Bereits durch geringe Bewegungen, wie Konvektion, werden absinkende Partikel wieder aufgewirbelt. Somit liegt ein besonders homogenes, langzeitstabiles Temperiermedium vor.

Besonders vorteilhaft ist es, expandierten Graphit einzusetzen oder herzustellen, der mit Plasma behandelt ist. Die Plasmabehandlung erhöht die Affinität der an sich unpolaren Graphitpartikel zu polaren Flüssigkeiten, wie Wasser, und verbessert dadurch das Mischverhalten.

Vorteilhafterweise weisen die Kohlenstoffpartikel eine Größenverteilung zwischen 1 μm und 15 mm auf, besonders bevorzugt zwischen 2 μm und 10 mm, insbesondere zwischen 50 μm und 1 mm.

Für Kohlenstofffasern als Kohlenstoffpartikel gelten diese Größenangaben entsprechend für die Länge. Als Kohlenstofffasern können jedoch gemäß der Erfindung auch Langfasern von bis zu 50 mm Länge, insbesondere bis zu 30, insbesondere bis zu 15 mm Länge eingesetzt werden.

Flocken aus expandiertem Graphit, die für ein erfindungsgemäßes Temperiermedium vorteilhafterweise eingesetzt werden, besitzen ebenfalls ein hohes Verhältnis von Länge zu Dicke. Ihre bevorzugte Länge liegt bei bis zu 20 mm Länge, insbesondere bei bis zu 10, insbesondere bis zu 5 mm. Insbesondere nach längerem Einsatz eines Temperiermediums mit Graphitflocken als Kohlenstoffpartikeln kann ihre Länge durch die mechanische Beanspruchung der Flocken aber auch nur bis zu 3 mm, insbesondere bis zu 1 mm betragen. Ihre bevorzugte Dicke bzw. ihr bevorzugter Durchmesser liegt zwischen 100 und 1000 μm, insbesondere zwischen 300 und 800 μm.

Derart bevorzugte Partikelgrößen haben den Vorteil, dass sie im Gegensatz zu sehr kleinen Partikeln, wie Nanopartikeln, mit geringem Aufwand herstellbar sind. Sie können sogar dem Herstellungsprozess von beispielsweise expandiertem Graphit direkt entnommen werden, ohne weiterbearbeitet zu werden. Zumindest sind nur geringfügige Zerkleinerungsschritte notwendig. Die erhaltenen hohen Partikel- großen tendieren nicht oder zumindest kaum zum Agglomerieren, so dass sie länger in der Schwebe bleiben als kleinere Partikel, wie Nanopartikel, die sich tendenziell zu großen Agglomeraten zusammenfügen.

Die Dichte der eingesetzten Kohlenstoffpartikel liegt bevorzugt in einem Bereich zwischen 0,05 und 2,2 g/cm ³ , besonders bevorzugt zwischen 0,1 und 1 g/cm ³ , insbesondere zwischen 0,2 und 0,6 g/cm ² . Entsprechend liegt die Schüttdichte bevorzugt zwischen 0,002 g/cm ³ und 0,05 g/cm ³ , besonders bevorzugt zwischen 0,005 und 0,01 g/cm ³ . Bei derartigen Dichten findet kaum ein Absinken statt; geringe äußere Einflüsse lassen die Partikel leicht wieder in Schwebe gehen. Bei Kohlenstofffasern, insbesondere bei Kurzfasern, kann die Schüttdichte auch deutlich höher liegen, z.B. bei bis zu 1 g/cm ³ .

Die Herstellung eines erfindungsgemäßen Temperiermediums erfolgt durch Einmischen oder Einrühren von Kohlenstoffpartikeln im Sinne der Erfindung in die entsprechende Flüssigkeit. Dies kann mit herkömmlichen Rührern oder Mischern erfolgen, wie einem Friktionsmischer, oder auch einfach manuell. Vorteilhaft werden auch bekannte Dosiergeräte eingesetzt. Die Herstellung des Temperiermediums ist sehr einfach, da sich alle oben genannten Kohlenstoffpartikel leicht mit den genannten Flüssigkeiten mischen lassen ohne zu agglomerieren. Plasmabehandelte Partikel weisen eine besonders gute Affinität zu Wasser auf, aber auch alle anderen erfindungsgemäß eingesetzten Kohlenstoffpartikel zeigen ein sehr gutmütiges Einmischverhalten. Somit lässt sich das erfindungsgemäße Temperiermedium mit geringem Aufwand und geringen Kosten herstellen.

Die Aufgabe wird weiterhin mit einer Verwendung einer Kohlenstoffpartikel enthaltenden Flüssigkeit als Temperiermedium (auch Wärmeträger oder Kälteträger genannt) meist zum Regulieren eines Wärme- bzw. Kältehaushalts gelöst. Dies um- fasst insbesondere die Verwendung in der Gebäudetechnik, für technische Anlagen, im Apparatebau, in der Fahrzeugtechnik und Verkehrstechnik, was sich beispielsweise auch auf die Schifffahrt und Eisenbahn bezieht, der Luft- und Raumfahrt und der Energiegewinnung. Ebenso in der Werkstoffverarbeitung, wo hohe Wärmemengen anfallen und gekühlt werden muss, insbesondere der Metall- und Kunststoffverarbeitung, der Glas- und Keramikverarbeitung, der Holzverarbeitung, aber auch der Verarbeitung faserförmiger Materialien, wie der Textilverarbeitung. Des Weiteren findet eine Flüssigkeit mit Kohlenstoffpartikeln erfindungsgemäß Verwendung in geothermischen und solarthermischen Anlagen, in Erdsonden, Wärmepumpen und Wärmerückgewinnungssystemen. Weitere erfindungsgemäße Verwendungen sind in der Medizintechnik und der Supraleitungstechnologie, wo mit flüssigen Gasen auf sehr niedrige Temperaturen gekühlt wird. Seine chemische Inertheit und somit Lebensmitteltauglichkeit lässt es erfindungsgemäß auch in der Lebensmitteltechnologie Verwendung finden, wie z.B. in Kühlhäusern und -fahr- zeugen für die Kühlung von Lebensmitteln, aber auch von anderen verderblichen Waren, wie Medikamenten, Blut und Organen, etc.

Im Prinzip ist das erfindungsgemäße Temperiermedium überall im privaten und industriellen Bereich einsetzbar, wo Wärme- oder Kälteabfuhr, bzw. -zufuhr oder -Übertragung gewünscht ist. Dabei wirken sich außer der sehr guten Wärmeleitfähigkeit die vielen Vorteile von Flüssigkeiten mit Kohlenstoffpartikeln aus. Insbesondere bildet Kohlenstoff auch bei hohen Temperaturen bis 500 ⁰ C keine Spaltprodukte, ist umweltfreundlich, nicht toxisch und nicht wassergefährdend, es bleibt bei der Lagerung und dem Transport stabil, geht keine chemischen Reaktionen mit anderen Zusatzstoffen in der Flüssigkeit oder mit Behälterwandungen ein. Die Viskosität der Basisflüssigkeit wird kaum beeinflusst, die Pumpfähigkeit ist sehr gut. Überraschenderweise wirken die Kohlenstoffpartikel auch in der Flüssigkeit schmierend, so dass die Lebensdauer von Pumpen und anderen bewegten Teilen sogar erhöht wird.

Besondere Vorteile sind die hohe Wartungsfreundlichkeit, denn das Temperiermedium muss wegen der geringen Abrasion, dem geringen Absinken und der Inhert- heit der eingesetzten Kohlenstoffpartikel wenn überhaupt nur in sehr langen War- tungsabständen ausgetauscht werden. Dies ist insbesondere bei Kühlkreisläufen in Kernkraftwerken und Geothermieanlagen von Vorteil, trifft genauso aber auf Heizungsanlagen jeder Art in Privathaushalten, Wärmetauscher in der chemischen Industrie oder sonst alle erdenklichen Anwendungen zu, in denen bisher herkömmliche Temperiermedien ohne Zugabe von Kohlenstoffpartikeln eingesetzt wurden.

Die bisher genannten Ausführungsformen und Vorteile gelten für die elektrische Leitfähigkeit prinzipiell genauso wie für die thermische Leitfähigkeit. Allerdings wurde erfindungsgemäß festgestellt, dass die elektrische Leitfähigkeit bereits bei kleineren Mengen an Kohlenstoffpartikeln ansteigt.

Weitere vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen sowie Vorteile der Erfindung gehen aus den Ausführungsbeispielen hervor, die in Verbindung mit den Figuren die Erfindung beispielhaft erläutern. Dabei zeigt:

Fig. 1a: eine Messkurve, die die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit einer erfindungsgemäßen 1-%igen Suspension von Graphitflocken in ruhendem Wasser im Vergleich zu reinem Wasser von der Temperatur zwischen 20 und 80 ⁰ C mit Schritten von 10 ⁰ C zeigt;

Fig. 1b: eine Messkurve, die die Abhängigkeit der Wärmeleitfähigkeit einer erfindungsgemäßen 1-%igen Suspension von Graphitflocken in ruhendem Wasser im Vergleich zu reinem Wasser von der Temperatur zwischen 25 und 55 ⁰ C mit Schritten von 5 ⁰ C zeigt;

Fig. 2: eine durch Simulationsrechnung bestimmte übertragene Wärmemenge sowie die Wärmeleitfähigkeit eines erfindungsgemäßen Temperiermediums bestehend aus expandierten Graphitflocken und Wasser im fließenden Zustand.

Es wurden Messungen der Wärmeleitfähigkeit an erfindungsgemäßen Temperiermedien durchgeführt, deren Ergebnisse in Fig. 1a und 1 b gezeigt sind. Dazu wurde eine 1-%ige (in Gew.-%) Suspension von Graphitflocken aus expandiertem Graphit in Wasser eingerührt. Die Flocken liegen durchschnittlich in einem Bereich von etwa 3 mm Länge und etwa 0, 5 mm Durchmesser. Zum Vergleich wurde Wasser ohne Kohlenstoffzugabe gemessen. Die Messung wurde an ruhenden Temperiermedien durchgeführt. In Fig. 1a sind jeweils drei Messwerte 1 für reines Wasser und jeweils drei Messwerte 2 für die 1-%ige Suspension dargestellt. Zusätzlich ist als Vergleich eine durchgezogene Linie 3 eingezeichnet, die die Wärmeleitfähigkeit von Wasser aus der Literatur zeigt. Bei beiden Temperiermedien steigt die Wärmeleitfähigkeit mit einer Temperaturerhöhung von 20 bis 80 ⁰ C an, bei einer erfindungsgemäßen Suspension liegt die Wärmeleitfähigkeit jedoch stets oberhalb der Wärmeleitfähigkeit von Wasser. Das gleiche trifft auf die Messungen in Fig. 1 b zu, wo die Daten aus Fig. 1a lediglich mit engeren Messschritten verifiziert wurden. Die hervorragende Steigerung der Wärmeleitfähigkeit betrug hierbei bereits bei einer Zugabe von nur 1 Gew. % Kohlenstoffpartikel etwa 30 - 50 %.

Für bewegte Temperiermedien wurde anstelle einer Messung eine Simulationsrechnung durchgeführt.

Die effektive Wärmeleitung wurde mit Hilfe der Maxwell'schen Gleichung, Maxwell- Garnett-Gleichung und der Gleichung nach Hamilton und Crosser empirisch berechnet.

In Fig. 2 ist das Ergebnis der Simulationsrechnungen dargestellt. Es wurden verschiedene Gewichtsanteile an Graphitflocken angenommen und die Wärmeleitfähigkeit sowie die an die Rohrwandung übertragene Wärmemenge Qwand berechnet. Dabei wurden eine Ausgangstemperatur des Temperiermediums von 80 ⁰ C und eine Temperatur der Rohrwandung von 20 ⁰ C angenommen. Die Länge des Rohrs betrug 5 cm, der Durchmesser 7 mm. Die errechneten Werte der Wärmeleitfähigkeit sind mit kleinen Rauten 4 dargestellt, durch die eine Kurve 5 gezogen ist, die Werte der übertragenen Wärmemenge 6 mit großen Quadraten 7, durch die eine Kurve 8 gezogen ist. Die Mengenangabe der x-Achse ist in Gew.-% angegeben.

Zu sehen ist ein Anstieg sowohl der Wärmeleitfähigkeit als auch der an die Rohrwandung übertragenen Wärmemenge Qwan _d mit zunehmender Menge an Kohlenstoffpartikeln. Die Wärmeleitfähigkeit von reinem Wasser von etwa 0,6 W/mK steigt mit 5 Gew.-% an Graphitflocken auf den fast zehnfachen Wert. Bereits bei 1 Gew.- % ist die Wärmeleitfähigkeit noch deutlich stärker als bei ruhendem Wasser gestiegen, wie in den Fig. 1a und 1 b gezeigt. Ein Grund hierfür dürfte die erhöhte Anzahl von Stößen der Graphitflocken auf die Rohrwandung sein, die durch die Strömung verursacht ist. Entsprechend wird mit zunehmender Menge an Graphitflocken eine höhere Wärmemenge übertragen.