三维成型件.pdf

本发明的一个方面涉及一种成型件，流体可沿至少一个流动方向流动通过所述成型件。所述成型件包括多个相互平行的连续层。每一层包括空隙和面向后面或前面的层的至少一个结合区域。一个层的每个空隙与后面或前面的层的空隙的至少一个区域重叠。因此，所述层共同形成成型件中的阶梯状板条。所述成型件包括至少两个这样的板条。此外，本发明涉及一种用于制造所述成型件的制造方法，以及所述成型件的用途和包括所述成型件的反应器。

1.  一种流体以至少一个流动方向(T)可流动通过的成型件，包括：
a)多个相互平行的连续层(2、2'、2”、2”'、2””)，其中各所述层(2、2'、2”、2”'、2””)包括至少一个空隙，以及其中
b)各所述层(2、2'、2”、2”'、2””)包括和后面或前面的层(2、2'、2”、2”'、2””)的至少一个结合区域(5)，以及其中
c)一个所述层(2、2'、2”、2”'、2””)的各空隙与后面或前面的层(2、2'、2”、2”'、2””)的空隙的至少一个区域重叠，使得
d)所述层(2、2'、2”、2”'、2””)共同形成在所述成型件(1)中的阶梯状板条(2a、2b)，
其特征在于，所述成型件(1)包括至少两个这样的板条(2a、2b)。

2.  根据权利要求1所述的成型件(1)，其特征在于，所述成型件(1)中的所述至少两个板条(2a、2b)以这样的方式设计，使得它们相互交错。

3.  根据权利要求1或2所述的成型件(1)，其特征在于，所述成型件(1)包括平行于所述至少一个流动方向(T)延伸的包封件(4)，所述包封件(4)特别是所述成型件(1)的一体的组成部件，并且整个所述成型件(1)优选形成为一件式。

4.  根据权利要求1-3中任一项所述的成型件(1)，其特征在于，所述成型件(1)的全部空隙形成所述成型件的可流动通过的内部体积。

5.  根据权利要求1-4中任一项所述的成型件(1)，其特征在于，所述成型件(1)包括2-50个所述层(2、2'、2”、2”'、2””)，特别是2-20个所述层(2、2'、2”、2”'、2””)，特别是3-15个所述层(2、2'、2”、2”'、2””)。

6.  根据权利要求1-5中任一项所述的成型件(1)，其特征在于，所述板条(2a、2b)设计成使得其以大致直角相对于彼此交错。

7.  根据权利要求1-6中任一项所述的成型件(1)，其特征在于，所述层(2、2'、2”、2”'、2””)平行于所述至少一个流动方向(T)延伸，或其中所述层垂直于所述至少一个流动方向(T)延伸。

8.  根据权利要求3-7中任一项所述的成型件(1)，其特征在于，所述包封件包括凹部和/或翅片和/或肋。

9.  根据权利要求1-8中任一项所述的成型件(1)，其特征在于，所述成型 件(1)填充有相变材料并且以不漏流体的方式由膜封装。

10.  根据权利要求1所述的成型件(1)作为静态混合器、或作为热交换器、或用于乳化或用于发泡或用于进行催化化学反应、或用于灭菌或用于汽化或用于冷凝或用于在流体流之间交换材料、特别是用于提取、或用于沉淀表现流体特性的材料、物质或组分的用途。

11.  一种在导热结构中使用的成型件，包括：
a)多个相互平行的连续层(2、2'、2”、2”'、2””)，其中各所述层(2、2'、2”、2”'、2””)包括至少一个空隙，以及其中
b)各所述层(2、2'、2”、2”'、2””)包括至少一个朝向后面或前面的层(2、2'、2”、2”'、2””)的结合区域(5)，以及其中
c)所述层(2、2'、2”、2”'、2””)的各空隙与后面或前面的层(2、2'、2”、2”'、2””)的空隙的至少一个区域重叠，使得
d)所述层(2、2'、2”、2”'、2””)共同形成在所述成型件(1)中的阶梯状板条(2a、2b)，并且所述成型件包括至少两个这样的板条(2a、2b)，
其特征在于，所述成型件特别是在内部体积中包括相变材料。

12.  根据权利要求10所述的成型件，其特征在于，所述成型件通过膜封装，使得所述相变材料以不漏流体的方式储存在所述成型件中。

13.  根据权利要求10或11所述的成型件，其特征在于，所述成型件由热导率为至少为20W/(mK)、优选100W/(mK)的材料制成。

14.  一种复合成型件，包括多个根据权利要求1或10所述的成型件。

15.  一种用于制造根据权利要求1或10所述的成型件(1)的方法，包括以下步骤：
a)提供(15)具有凹部(22、24)的模板(20；20')；
b)通过所述模板(20；20')涂覆可塑性变形化合物以形成第一层，其中，所述可塑性变形化合物穿过所述凹部(22、24)到达载体介质。
c)通过第二模板(20、20')将另一可塑性变形化合物(17)的后面的层涂覆到所述第一层，并且其中所述第二模板(20、20')以这样的方式设计，使得所述后面的层包括和所述前面的层的至少一个结合区域(5)；
d)重复(19)步骤c)，直到已经达到所述层的所需数目，并且其中每个所述层通过相关的匹配模板(20、20')涂覆；
e)特别是通过加热、特别是通过烧结，硬化所述成型件。

16.  根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述第一层在所述涂覆(16)之后固化，并且其中所述后面的层在可能的下一层的涂覆(17)之前固化，以及其中特别地所述层通过干燥固化。

17.  根据权利要求15或16所述的方法，其特征在于，至少两种不同的可塑性变形化合物制成的层通过不同的模板制造。

18.  根据权利要求15-17中任一项所述的方法，其特征在于，除了层之外还涂覆另外的可塑性变形材料制成的包封件。

19.  根据权利要求15-18中任一项所述的方法，其特征在于，层包括其通过相同的模板涂覆的重复的各排。

20.  一种用于混合流体的静态混合器，包括根据权利要求1所述的成型件。

三维成型件
技术领域
本发明涉及一种流体可沿至少一个流动方向流动通过的成型件。此外，本发明涉及一种这样的成型件的制造方法，以及所述成型件的用途。具体地说，本发明涉及一种成型件及其制造方法，以及根据独立权利要求的前序部分所述的成型件的用途。
背景技术
各种类型的流体流在众多化学工程处理中发挥重要作用。例如，流动的流体本身可以是处理中所处理的介质，或流体用于保持所处理的介质的温度，或者用于输送例如所处理的介质。在流动介质中可发生反应。例如，在介质中可以发生或造成相变。液滴可以分裂或合并入多相流体中。流体可以混合或分离。固体可以沉淀等。
这些流体处理的共同特点在于，工厂必须在流量控制方面进行优化，以达到良好程度的处理效率。这里，根据应用，已证明各种概念是有效的。
自20世纪70年代初起，对于由流体主导的各种主要连续处理，在化学工程中已采用静态混合器。这里，对于在较低至中等雷诺兹数范围中的应用，具有以交错的方式形成的板条的混合器类型(CH642564)是特别成功的。在实践中用作安装在管道中的混合元件。这里，直径为几毫米至几百毫米并具有穿过管直径的4至8个板条的产品是市售可得的。所述静态混合器的区别在于，甚至在多种形式的混合任务的情况下、甚至在待混合的流体的粘度是非常多变的情况下、或者在很慢的蠕动流体的情况下，它也可以可靠地发挥作用。而且，该混合器也可以用于分散两种不互溶的液体或液体中的气体。此外，通过在管道中采用该类型的混合元件，可以提高管与流动介质之间的热传递。由于尤其在用于高粘性介质的热交换器中采用该类型的混合元件，该效果是在层流雷诺兹数的范围内特别开发的。另一应用领域是具有平行运行的竞争反应的化学处理，在所述化学处理中，在流动穿过管状反应器的流体中实现尽可能紧凑的停留时间谱。这里，停留时间谱可以通过在管道中安 装静态混合元件得以大幅改进。
微混合器和微反应器已被开发以及也在实践中应用了多年。微混合器和微反应器应理解为具有尺寸小于1毫米的管道和混合结构的静态混合器。存在非常多的不同微混合器和微反应器，其结构通常已适于用于该类型的小结构的生产技术。基于其小的尺寸，其特征在于非常高的表面-体积比以及由此允许良好的温度控制。此外，使用非常小的混合器和混合管道，也可实现非常短的混合时间。微反应器和微混合器尤其具有如下优点，必须处理非常小的生产批量、必须以有效的方式耗散非常多的反应热量、或处理非常危险的材料，因此小尺寸和所伴随的在反应器中的小生产量代表安全的特征。然而，将实验室实验的规模扩大到中试工厂或甚至工业生产工厂在实践中表现出问题。
在通过多相催化作用进行反应的工业反应器中，通常采用不同散堆填料的散堆料床。散堆填料的示例为由金属或其它材料制成的挤出的团粒或不定形部件。这里，这些团粒要么直接由基本物质构成，所述基本物质包含所需量的所设计的反应所需的催化剂，要么它们通过各种方法与包含所需催化剂的层密切接触。通过散堆填料的尺寸及其形状，可以同时影响流动穿过反应器的流体的流动阻力以及对流交换和混合。在管状反应器中采用该类型的散堆填料也导致紧凑的停留时间谱，这在某些反应的情况下是优点。由于散堆填料的疏松填料，热传递受限于热传导，这是在实践中的热传递主要是分别通过在反应器中的流体的对流交换或混合来确定的原因。该类型的系统在实践中被成功地用于大型工业反应器。大型工业反应器的构思通常受限于在反应器中的散热和混合。在某些情况下在该类型的反应中的压力损失是非常高的，使得泵的性能导致处理成本的相关比例。
自20世纪90年代以来，已经开发出了各种由诸如金属、金属合金或陶瓷等等的各种材料制造泡沫结构的方法。一方面，在轻质结构中的应用是金属泡沫的应用领域。基于夹层结构中采用的金属泡沫，可以在低重量情况下实现高强度、刚性以及在碰撞的情况下通过变形吸收能量的势能。其它重要的应用发现于现代电池和燃料电池。另一方面，具有特定性能的流体通过系统可通过开孔泡沫来生产。取决于孔尺寸以及死体积的比例，泡沫具有非常良好的热传导性能。以这种方式，可以实现热交换以及具有高的冷却或加热 性能的反应器。然而，金属泡沫的热导率也取决于板条的结构。一些开孔金属泡沫的制造方法制造具有中空板条的泡沫，其中所述板条仅由薄壳构成。与具有连续金属板条的结构相比，这降低了热导率。在散堆填料和也采用静态混合器的情况下，停留时间谱在填充有金属泡沫的管状反应器中变得相当更紧凑，这在某些反应的情况下是优势(US 2012/0080113A1)。然而，在金属泡沫中横向于主流体的对流流体交换也不是非常良好的，并在更小的孔径的情况下在相同的流体中变得更差。此外，基于金属泡沫中的孔的随机布置，不能排除的是在泡沫的内部存在局部死区，或个别孔的尺寸显著偏离平均值。
综上所述，因此，液体或气体介质或具有液体、气体和固体组分的多相流体在不同的化学工程处理中连续地进行处理，因为将前者用泵输送通过管式反应器或具有成型件的管线。可以通过巧妙地选择成型件的几何形状来保证以特别有效的方式发生这些化学工程处理。这里，重要的是，成型件可以同等地构思和用于在实验室和中试工厂中的非常小的生产批量，以及用于大型工业生产工厂，并且可以以简单的方式经由中试工厂将实验室的规模扩大到大规模的工业工厂。当然，同时也决定了该类型的成型件可以通过高效的生产方法经济地制造。
发明内容
本发明的目的在于，实现与开头所述的技术领域有关的成型件，其可以以高成本效益的方式来制造，并且可以以多种方式使用，所述成型件是特别高效的。具体来说，提供一种高成本效益的且高效的制造根据本发明的成型件的方法。此外，提供一种根据本发明的成型件的特别高效的用途。
通过独立权利要求的特征部分实现所述目的。
本发明的一个方面涉及一种流体可沿至少一个流动方向流动通过的成型件。成型件包括多个相互平行的连续层。每一层包括空隙和面向后面或前面的层的至少一个结合区域。一个层的每个空隙与后面或前面的层的空隙的至少一个区域重叠。因此，各层共同形成在成型件中的阶梯状板条。成型件包括至少两个这样的板条。
根据本发明的成型件可以以特别有效的方式进行例如由流体主导的化学工程处理。基于其内部几何形状，所述成型件可以包括待处理的流体流动通过的 连接孔系统。以这种方式，可以有效地避免流体被截留在其中的死区。使用根据本发明的成型件，在流动通过内部期间、甚至在流动管道的尺寸非常小的情况下，可以实现加强的大规模的横向混合。根据本发明的成型件的几何形状使得可以实现大的表面-体积比，例如对于热传输或对于例如用于多相催化作用的涂覆系统，这是另一优点。
通过根据本发明的阶梯状板条，可以实现板条和流经其的流体之间的高的热传递，以及根据所使用的材料，也可以实现成型件内部中的高的热传导。基于板条的阶梯状，也增加了板条的特定表面，其对于热传递以及对于多相催化反应可以是优点。此外，阶梯状板条的特别构思的形状可以产生流体的横向于主流体的加强的混合。在非常小的局部雷诺兹数的情况下也可以发生该混合，在其中，例如，基于随机孔系统、像开孔金属泡沫中存在的那些随机孔系统，流体仅表现出非常有限的横向于主流体的混合行为。
当层之间存在至少物理接触时，存在本发明的意义上的结合区域。该接触的范围可以从仅在边缘侧接触直到在材料上重叠。然而，结合区域、或表面积重叠的比例分别优选为相互面向的层表面的5％至95％、特别是5％至50％。以相同的方式，空隙可视为层的一种类型的“阴像”，其中在不同情况下后面的层的空隙与前面的空隙重叠至与相应层共享面向后面的层的一侧上的结合区域相同的程度。
所述至少一个流动方向可以是通过成型件的所有流体的总和，也就是说，成型件可以设计成使得其包括至少一个入口开口和至少一个出口开口。在这种情况下，穿过成型件的流动方向将是从至少一个入口开口到至少一个出口开口的轴线中的矢量。其间，成型件可以包括流动方向的任意量的偏斜，这些偏斜特别是由板条的设计引起的。结合区域在材料上是一体的。
本发明的意义上的成型件的层应理解为是以相同的平面坐标穿过所述成型件的一组主体。层可包含一系列的排。在该上下文中，连续的层也应理解为与所述平面坐标物理接触并与之平行的层。
本发明的意义上的流体可以设想是具有流体特性的任何物质或物质的混合物，也就是说其不抗任何特别是任意慢剪。在这个意义上，具体来说，术语流体包括可显示流动特性的气体、流体、以及固体或其混合物。
在本申请的意义上的多个是指至少两个的数目。
根据本发明的成型件的层可以具有取决于所需的应用的层厚度。以示意性的方式，层厚度的范围可以是从20-30微米到高达10毫米。100至900微米的层厚度是特别优选的。根据本发明的成型件的外部尺寸可以是1毫米至2000毫米，特别是4至500毫米，特别是100至300毫米，特别是约50毫米，同样取决于应用。
在具体实施例中，根据本发明的成型件可以设计成使得其可以以最小量的不同的连续的二维结构、即层——具有上述功能特性的三维结构构成。
根据本发明的成型件可沿三个轴——X轴、Y轴和Z轴延伸。这些坐标轴中的一个可以对应于通过成型件的流动方向的和。在一个具体实施例中，在由两个坐标轴形成的平面坐标中、例如X轴和Y轴以及Z轴中的整个坐标的一小部分，形成各个层。Z轴中的整个坐标的该一小部分随后形成层的厚度。
在一个具体实施例中，第一层之后是第二层，所述第一层包括由两个坐标轴以及第三轴中整个坐标的一小部分形成的平面坐标，所述第二层布置成相对于第一层以这样的方式偏置，使得第一层的与第二层接触的表面与第二层重叠。可替代地，第二层布置成使得第二层具有至少一个与第一层的共有边缘。
在一个具体实施例中，成型件中的所述至少两个板条以这样的方式设计，使得它们相互交错。
在一个具体实施例中，成型件包括平行于至少一个流动方向延伸的包封件，特别地，包封件是成型件的一体式的组成部件，并且整个成型件优选形成为一件式。可替代地，成型件随后可以设置有包封件。
在一个具体实施例中，成型件设计成使得板条在成型件内以周期性间隔重复，也就是说，例如，板条可以从包封件的一侧延伸到包封件的另一侧，而第二个相应的板条可以说在那里完全相反地延伸，也就是说从包封件的所述第一板条终止的一侧延伸至包封件的第一板条开始的一侧。这样的布置可以看作间隔。在下一间隔中，所述第一板条随后从包封件的第二板条在第一间隔中起始的一侧延伸至包封件的相反侧。几何图案可以因此在成型件中周期性地重现。可以在数学上确定待重复的最小图案，所述图案用于制造具有特定的预定义的流动通过特性的成型件。该可以确定的最小图案可以在成型件内反复出现。
本发明的意义上的间隔可以视为成型件中的层的特定连续，间隔包括特别是2至50、特别是2至20的层。这样的间隔也可以平行布置，也就是说，在主 流体方向的方向上不发生间隔的重复，但在那里以径向方式发生。以这种方式，可以由具有最小间隔的成型件实现任意尺寸的结构。可替代地，所述成型件包括不重复的独特的内部布置。
在一个具体实施例中，间隔设计成使得板条的排列以绕流动方向大致90°的角旋转。以这种方式可以实现流体的方向变化。该实施例的特别的优点在于，成型件的几何形状设计成使得横向分散不依赖于局部雷诺兹数，而仅仅是与平均空间速度成比例。
在一个具体实施例中，整个空隙形成了成型件的连续体积，整个空隙从而形成所述成型件的可流动通过的内部体积。位于彼此顶部的多个层的空隙可以像管道一样沿着成型件的内部板条延伸。以这种方式，基于流动穿过其中的流体的方向的大量变化，成型件可以导致高效混合。例如，为了改变在一个方向上的阶梯状板条引起的对流流动，可以改变阶梯结构的排列，优选不时地旋转。这里，这可以将阶梯状板条的排列绕流动方向旋转90°。例如，在不同情况下在周期性旋转90°的情况下，导致了成型件中的阶梯状板条两个排列。当整个空隙导致连续的内部体积时，随后存在可流动穿过的内部体积。例如，在成型件的内部可以具有连续迷宫，其在管道中可流动穿过并由板条确定边界。不言而喻，这样的示意性迷宫将是其优选没有死角从而避免死区的迷宫。
在一个具体实施例中，层平行于至少一个流动方向延伸。可替代地，层垂直于所述至少一个流动方向延伸。
在一个具体实施例中，包封件包括凹部和/或翅片和/或肋。包封件的这些结构可以出于热交换的目的用于扩大表面、用于固定或安装成型件，或者作为添加剂的入口和出口。在外管壁上的肋结构可以是各个层的一体的组成部件。围绕成型件本身布置的双包封件同样可以直接连接到层结构。可替代地，所述包封件不包括该类型的结构。结构也可以组合。以这种方式，包封件可以包括用于入口和出口管道的凹部、或紧固件，并且同时具有以下表面，所述表面具有用于改进的热交换的翅片。包封件也可以仅具有一个所述的结构；例如，以这种方式肋可以延伸穿过包封件的整个表面，平行于成型件的横截面区域，离开包封件。这样的肋赋予成型件稳定性并扩大包封件的表面。此外，肋可以配有附件或绒毛或支柱，以进一步扩大表面。通过支柱，可以额外地改进稳定性。例如，这样的支柱可以从肋延伸到肋。如果肋之间的中间空间被完全支撑，这 可以导致双壁包封件。另一流体然后可以在双壁内循环。本发明的意义上的“和/或”的列举用于表示连接连词的意义。
在一个具体实施例中，成型件设计为一件式。通过固定地连接到包封件的阶梯状板条可以产生非常高的结构强度。为此，所述包封件比较容易设计和可以节省材料。可替换地，成型件是多件式设计。在一个替代的具体实施例中，成型件包括单独的包封件或套筒，或者包括另外的子成型件，使得形成由不同的或相同的子成型件制成的比较大块的成型件。在另一替代实施例中，成型件包括单独的包封件，所述包封件固定地连接到剩余的成型件。在这种方式中，包封件可以焊接或粘接，或例如拧到成型件上。
本发明的意义上的一件式因此应当理解为成型件和包封件是由一个部件制成，也就是说一体的。
在一个具体实施例中，板条设计成使得其以某一角度、优选以大致直角相对于彼此交错。根据本发明的大致直角可以是从90°偏离约1°-15°的角。
在一个具体实施例中，成型件包括至少一个由2至50层、特别是2至20层、特别是2至15层、特别是2至6层制成的周期性间隔。
在一个具体实施例中，成型件具有在垂直于流动方向的截面中的横截面。在另一具体实施例中，截面是在由两个坐标轴、优选X轴和Y轴的坐标构成的平面坐标中。在另一具体实施例中，横截面为矩形、正方形或圆形。在正方形或矩形的结构横截面的情况下，可以实现具有平行于截面的排列的阶梯板条。在很多短的连续板条的情况下，导致了近乎但不完全光滑的板条表面。这具有降低了流体流动穿过其中的压力损耗的优点。
在一个优选实施例中，成型件基本上由选自钢合金、金属或金属合金、陶瓷、玻璃、塑料材料或其它材料组成的组中的材料制成。
在另一优选实施例中，成型件的表面、特别是限定可流动通过的内部体积的边界的表面，被涂覆。首先，这里可以使用改进温度交换的涂层、不粘涂层或可用作用于流体或其组成部分的催化剂的涂层。在另一具体实施例中，限定可流动通过的内部体积的边界的表面可以涂覆有另一功能或活性层、例如具有抗菌层。可替换地，成型件是未被涂覆的。
在一个具体实施例中，成型件包括一个出口点和一个入口点。在另一优选实施例中，这些点包括功能结构，诸如偏斜区、压力形成区、压力降阶区、或 特别是例如涂覆、催化区。在一个特别优选的实施例中，这些点是成型件的一体的组成部件。在另一具体实施例中，成型件在上述点的一个或两者处包括平行管道的层，其中，所述管道可具有例如圆形、椭圆形、蜂窝形、矩形、正方形、或多边形横截面。
在一个具体实施例中，根据本发明的成型件可通过包括以下步骤的方法获得。通过模板涂覆可塑性变形化合物以形成第一层，其中，所述模板具有凹部，可塑性变形化合物穿过凹部到达载体介质。随后，任选地固化第一层。随后，多个后面的层是通过在不同情况下在该第一层上的一个模板涂覆到第一层上，其中后面的层在涂覆下一层之前可任选地固化。这里模板设计成使得后面的层包括至少一个朝向前面的层的结合区域，如上所述，使得产生完全的阶梯状结构。涂覆优选2至50个、特别优选20个层。每一层是通过配合分配的模板涂覆。在比较厚的层的情况下，其任选同时固化、最终形成一个层的重复的单独的排可以通过相同的模板涂覆。可塑性变形化合物的固化可以包括干燥步骤；可替代地，固化还可以包括UV固化步骤、化学固化步骤、或另外的诱导固化步骤。所获得的成型件可以随后硬化；具体来说，所获得的成型件可通过加热、特别是烧结来硬化。
在本发明的意义上的模板可以设计为网或掩模，其包括对应于成型件的层的形貌的凹部。
在一个具体实施例中，成型件设计为使得其可以通过大规模生产方法来制造。具体来说，成型件的结构设计成使得其可以从大量的二维层构造，以便形成一个三维成型件，其中优选地其几何形状涉及的二维结构被重复并应包括尽可能少的不同的二维轮廓。例如，一个轮廓可以用于制造一个层。多个排可通过轮廓被涂覆并共同形成所述层。这样的轮廓可以用作根据本发明的制造方法的模板，如在本发明的说明书的其他部分中所述。
在本发明的一个具体实施例中，成型件的由空隙所限定的内部体积、特别是成型件的可流动通过的内部体积，填充有相变材料。特别优选地，成型件的整个内部体积填充有相变材料。本发明意义上的相变材料是在限定的温度范围内可以通过熔化潜热储存热或冷的材料。其通过利用热力学状态转换的焓可以储存潜热的材料是特别适合的。相变材料优选为分别利用固-液或液-固相变用于释放焓的材料。适合的相变材料的示例是基于硬石蜡的石蜡。
在另一具体实施例中，成型件由具有相对高的热导率、例如具有大于20W/(mK)的热导率，特别优选大于100W/(mK)的热导率的材料构成。
在另一具体实施例中，成型件被封装，也就是说，成型件以这样的方式密封，使得可流动通过的内部体积与成型件的外部体积不再具有流体连通。在该具体实施例中，基本上全部、优选全部内部体积填充有材料，特别是如上所述的相变材料。例如，基于成型件材料的高导热性，这样的成型件可以以特别高效的方式将热或冷引入到封装的相变材料中，所述相变材料另外解决相对较差的热导率的问题。在另一特别优选的实施例中，成型件通过膜封装，使得例如相变材料的封装材料的体积基于可被吸收的相变发生潜在的变化。基于这种布置，甚至是液相中的相变材料也无法漏出。
本发明的另一个方面涉及一种复合成型件。复合成型件包括多个如上所述的成型件，其以复合形式设置。例如，成型件可以布置成使得形成共同的可流动通过的内部体积。它们也可以被布置成使得它们形成在不同情况下不彼此流体连通的内部体积。在本发明的一个具体实施例中，复合成型件包括多个、也就是说至少两个具有如上所述的相变材料的封装的成型件。
本发明的另一方面涉及一种包括至少一个根据本发明的成型件的反应器。反应器可用于在流体上进行多个化学或物理反应。具体来说，根据本发明的反应器为例如作为静态混合器的用于混合、用于热交换、用于乳化、用于发泡、用于进行催化化学反应、用于灭菌、用于汽化、用于冷凝、用于沉淀材料、物质或组成部分的反应器。成型件还有助于增强反应器的强度，如果如在一个具体实施例中壁被生产成直接连接到成型件上。采用该类型的具有集成壁的成型件的反应器，也可以在比较高的压力下运行，而无需为此必须采用非常厚的壁。基于能够在具有不同直径的反应器中使用的相同的成型件结构，通过该类型的成型件，实际上相同的处理连同合适的初步分配器，可以以实验室规模以及工业规模来实现，并且规模的扩大在许多情况下以比较容易的方式进行。
在一个具体实施例中，反应器包括成型件连同合适的分配器，例如，所述分配器细分流入局部流体的少量添加剂流体，所述局部流体然后在不同的点上计量入主流体中，所述点是穿过所述成型件均匀分布的。因此，混合管道以及混合时间可以大大减少。
本发明的另一方面涉及一种根据本发明的成型件、特别是流体可沿至少一 个流动方向流动通过的成型件的用途。具体来说，本发明涉及根据本发明的成型件在例如作为静态混合器的混合、热交换、乳化、发泡、进行催化化学反应、灭菌、汽化、冷凝、沉淀材料、物质或组成部分中的用途。阶梯状板条的特别构思的形状可以产生流体的横向于主流体的加强的混合。在非常小的局部雷诺兹数的情况下，也可以发生该混合，在所述情况下流动穿过诸如存在于开孔金属泡沫中的随机孔系统具有仅非常有限的横向于主流体的混合行为。同时，非常大的内表面能够被提供给流体。因此，成型件和流体之间可以非常有效地热交换。此外，热量然后可以以高效的方式在成型件的内部消散。由于成型件可以构造成具有直接以金属方式连接的壁或包封件，热量也可以以高效的方式通过壁消散。同时，由于加强的交错交换，通过流体的对流热传递是高效的。
在一个具体实施例中，成型件用于混合多个流体流。
在一个具体实施例中，成型件借助于通过包封件的热量供给或热量排出、或借助于混合具有不同的温度的多个流体来用于加热或冷却流体流。
在一个具体实施例中，通过产生具有定义的紧密的液滴尺寸的液滴，用于在多相流体中产生大的限定的表面的成型件，在气-液混合物的情况下在具有多个不互溶流体或气泡的系统中使用。
在一个具体实施例中，成型件用于乳化具有多个不互溶流体的系统，以形成具有非常小的微米级液滴的稳定乳液。
在一个具体实施例中，成型件用于从气-液混合物中产生稳定的泡沫。
在一个具体实施例中，在同时混合反应流体和以加强的方式热供给和排出时，成型件用于以受控的方式进行多相化学反应。
在一个具体实施例中，通过集成在成型件中或涂覆成型件的催化剂，成型件用于进行具有多相催化作用的化学反应。通过表面上的催化剂，根据本发明的成型件的可流动穿过的内部体积的相对较大的表面也有助于加快多相化学反应。同时，成型件内部的流体的加强混合可以防止形成流体的热点或分配不当。
在一个具体实施例中，通过与成型件表面上的抗菌涂层接触，成型件用于灭菌被细菌污染了的流体。在成型件的用于灭菌被细菌污染了流体流的该应用中，用于使细菌与抗菌涂层接触的非常大的表面、以及导致整个流体流以加强的方式与抗菌表面反复接触的流体的同时加强混合的组合，是有利的。
在一个具体实施例中，通过将热量输入到成型件内或通过与流动通过成型 件的热气接触，成型件用于蒸发成型件表面上的液体。
在一个具体实施例中，成型件通过将热量排出穿过成型件而用于将气体冷凝到成型件的表面上。
在一个具体实施例中，在流动通过成型件期间，通过精确控制的冷却，成型件借助于结晶而用于沉淀。
在一个具体实施例中，成型件用于在共同流动通过成型件的气体流和液体之间交换材料。
在一个具体实施例中，成型件用于在共同流动通过成型件的两个或以上基本不互溶的液体之间交换材料。本发明的意义上的基本不互溶的液体是这样的液体，其在其液体状态下不形成均匀的溶液，优选其在各自的状态下不能包括大于0.5摩尔％的其它相的液体。液体可以在成型件中形成乳液。这样的用途对提取过程是特别有利的。
本发明的另一方面涉及一种根据本发明的成型件的制造方法。为了进行成型件、特别是如上所述的成型件的制造方法，提供了一种具有凹部的模板。通过模板涂覆可塑性变形化合物以形成第一层，其中，可塑性变形化合物穿过模板的凹部到达载体介质。提供第二模板。可塑性变形化合物的后面的层通过第二模板施加到第一层上。第二模板以这样的方式设计，使得后面的层包括至少一个朝向前一层的结合区域。
重复后面的层的涂覆，直到已经达到所需数目的层。为每一层设置相关的匹配模板。每一层是通过配合层涂覆的。
特别是通过加热、特别是通过烧结，成型件最终被硬化。
在另一具体实施例中，第一层在涂覆之后固化。具体来说，在潜在的下一层被涂覆之前，固化后面的层。固化有利地包括干燥步骤。尤其也包括化学诱导的固化反应、紫外线或其它辐射诱导的固化反应的固化步骤，也是可以想到的。
在一个具体实施例中，涂覆2-20个层，特别是涂覆2-15个层，特别是涂覆3-10个层。所述的层数是独特的、也就是说不同的层的数目。在根据本发明的成品成型件中，该方法步骤的重复可以导致大量周期性重复的间隔。
在一个具体实施例中，除了层之外还涂覆可塑性变形材料制成的包封件。所述包封件可同时涂覆。具体地说，模板可以设计成使得其包括用于包封件的 空隙。在另一具体实施例中，模板设计成使得在包封件上的可能的结构，诸如，例如肋、翅片、板条或开口，同样可以同时涂覆。以这种方式，相应的包封件或具有结构的包封件可以与各层共同涂覆。这减少了所需的操作步骤数并使得所述方法特别高效。此外，因此也可以将成型件一体地形成。由于其使得可以非常经济的大量生产，通过所述的制造方法，壁、肋和诸如孔或槽的安装装置，也可以以直接的方式额外地集成在成型件中。
在一个具体实施例中，最终形成一个单独的层的重复的单独的排，通过相同的模板涂覆。
在一个具体实施例中，成型件在烧结炉中硬化。这里，在第一步中，在通常约600℃的较低的温度下蒸发粘合剂。此后，成型件在升高的温度下烧结。这里，温度始终保持在熔融温度之下，但足够高以将可塑性变形化合物中的颗粒通过扩散处理来固定地连接。对于钢的混合物，烧结温度通常为1000-1350℃，特别是1100-1300℃，其中1200-2500℃、特别是1400-1800℃的温度可用于陶瓷。烧结条件取决于材料，并且本领域技术人员可以自行判断。
具体来说，其主要成分可以是待采用的材料的细粒粉末的悬浮液可以用作可塑性变形化合物。可以使用多种材料；特别合适的是金属、金属合金、不锈钢、或贵金属、以及陶瓷和/或玻璃陶瓷。所用的粉末通常具有约10微米的非常小的颗粒尺寸。具体来说，加入有机粘合剂以形成可塑性变形材料。特别地，可用作例如有机粘合剂的材料为CMC(羧甲基纤维素)、聚烯烃和各种形式的天然淀粉(玉米粉、小麦粉、马铃薯粉、米粉等)。在粉末溶于水的情况下，可以产生具有待处理的粉末以及有机粘合剂的含水悬浮液。如果所用的粉末是不溶于水的，可以使用溶剂来代替水。
在一个具体实施例中，一种以上的材料被用作可塑性变形化合物。以这样的方式制造的成型件包括至少两种材料的复合物，并且形成一件式，因为从不同的可塑性变形化合物制造的结构以形状配合的方式彼此结合。使用该方法，可以制造具有不同催化区的复合成型件。例如，使用第一可塑性变形化合物可以形成稳定的支撑结构，而使用第二可塑性变形化合物可以形成催化活性的表面结构。可替代地，可以分别地形成第一可塑性变形化合物的可追溯释放的支撑结构，其在固化或烧结之后可被释放或以其他方式除去，使得以其他方式过于脆弱或不稳定而无法制造的结构(例如，其中各连续层仅在边缘彼此接触的 结构)可以可靠的方式制造。
本发明的另一方面是所述成型件作为导热结构在填充有相变材料的复合成型件中的用途。根据复合成型件的应用目的，选择具有特定温度范围的相变材料，这在相应领域的技术人员的能力范围内。这样的复合成型件将特别适合用作太阳能装置的蓄热器。成型件然后将构思成使得其显示出从其内表面到相变材料的最佳的热传递，所述相变材料被封闭在所述成型件的内部体积中。在根据本发明的成型件的高表面积-体积比的情况下，无论是从相变材料还是在相反的方向上，均可以确保特别高效的热传递。
对于该应用，成型件填充有相变材料，并随后由膜封装。
所有具体实施例可以在本发明的范围内以任意方式彼此组合。
从以下的详细说明和专利权利要求书的全部内容得到进一步优选的实施例和本发明的特征的组合。
附图说明
在用于说明示意性实施例的附图中：
图1示意性示出了根据本发明的成型件的潜在基本结构，，其具有六个层；
图2示意性示出了根据本发明的一个成型件；
图3示意性示出了根据本发明的成型件的另一实施例，其具有大的表面和矩形轮廓；
图4示意性示出了根据本发明的成型件的另一实施例，其具有圆形轮廓；
图5示意性示出了根据本发明的成型件的另一实施例，其相对于主流动轴线具有不同排列的层；
图6示意性示出了根据本发明的成型件的另一实施例，其具有包封件和圆形轮廓；
图7示意性示出了根据本发明的成型件的另一实施例，其具有包封件和正方形轮廓；
图8a示意性示出了根据本发明的成型件的另一实施例，其具有包封件和翅片；
图8b示意性示出了根据本发明的成型件的另一实施例，其具有包封件和肋结构；
图8c示意性示出了根据本发明的成型件的另一实施例，其具有双包封件和矩形轮廓；
图8d示意性示出了根据本发明的成型件的另一实施例，其具有双包封件和圆形轮廓；
图9示意性示出了根据本发明的成型件的另一实施例，其相对于主流动轴线和功能区具有不同排列的层；
图10示意性示出了根据本发明的3D结构的流动模拟图；
图11示意性示出了根据本发明的方法的典型顺序；
图12a示意性示出了诸如可用于进行根据本发明的方法的模板；
图12b示意性示出了可用于将后面的第二层涂覆到图12a的模板上的模板。
原则上，在图中相同的部件设置有相同的附图标记。
具体实施方式
图1示出了根据本发明的成型件1的简单的基本结构的示意图。成型件1具有两个板条2a、2b。第一板条2a从右下角延伸到左上角，而第二板条2b从左下角延伸到右上角，并设置在第一板条2a之后的平面中。常规流动方向T是从底部流动到顶部。任意选择的底部/顶部的分类，仅用于说明附图，并相对于所述成型件不具有功能的含义。常规流动方向T表示流动穿过本示例中的成型件1的流体首先接触成型件1的下端、成型件1的入口端10，并且从成型件1的上端、出口端11处再次离开所述成型件。板条2a、2b由多个层2、2'、2”、2”'、2””、2””'形成，其使得板条2a、2b具有总体上阶梯状的结构。这里，第一层2被第二层2'部分地重叠，第二层2'相应地被第三层2”部分地重叠。重叠的程度，即例如第一层2中与第二层2'的表面区域在材料接合的阶梯区域，在本示例中在整个成型件1中是常数。各个层2、2'、2”、2”'、2””、2””'，形成第一板条2a以及第二板条2b两者的阶梯。在本示例中，重叠度为约50％，也就是说，层的垂直于主流动方向的表面的50％，与相邻的层在材料上一体接触。此外，在本示例中，层的厚度、即与主流动方向T平行的区域，对应于保持空余的区域，其不被后面的层重叠。在不同情况下层的区域的重叠比例形成结合区域5。在成品成型件1中的结合区域5以材料上一体的方式连接。
如由板条2a、2b的层2””的示例所述的，这意味着，位于层2””或坐标轴X、 Y的区域坐标中的阶梯两者都可以形成共同的层。空隙12在板条2a、2b的阶梯之间，在层2””中。以示意性方式示出的板条2a、2b，彼此相反地延伸并彼此以90°的角交错，所述角从穿过板条2a、2b的阶梯的所有边缘的各自的假想的中心轴计算得到。
如图1所示的成型件1也可以制造为多个，其中产生了具有更多板条2a、2b的更大的成型件1。这样的元件可以任意地重复，例如在另一基本排列中也作为间隔A，以便以这样的方式产生更大的成型件1。
图1中以示意性方式示出的层2、2'、2”、2”'、2””、2””'的层厚度可以是30微米至10毫米。本示例的层2、2'、2”、2”'、2””、2””'的层厚度为500微米。
例如在图2中示出了这样的更大的成型件1。该成型件1可以例如通过类似于在图1的情况下所描述的方法的方法由银制成。成型件1具有三维结构，所述三维结构具有交错、阶梯状板条2a、2b，其中层2、2'、2”排列成垂直于主流动方向T。基于银的良好热性能和借助于板条2a、2b的大的表面，如图2所示的成型件可以理想地用作热交换器。共计3个板条2a和3个板条2b设置成使得在成型件1中相对于彼此为十字形。取决于其程度，各板条2a、2b，布置了不同数量的阶梯，但是成型件1具有共计15层2、2'、2”。
图2所示的成型件1的外形尺寸可以是例如1至10mm。
图3通过示例示出了具有交错的、阶梯状板条2a、2b的三维结构的正方形足迹的更大块。这里，各层也被排列成垂直于主流动方向T。该块布置了相对于体积特别大的表面。以这种方式，根据本发明的该块将特别适合作为反应器。在本示例中，成型件1可以设置有催化活性的盖。基于较大的表面，催化剂可以以最优的方式与成型件1的内部体积中的流体发生反应。
图3所示的成型件1的外部尺寸可以是例如3至30mm。
图4示出具有圆形足迹的更大块的一个示例。层排列成垂直于主流动方向T。可以以各种方式设立圆形足迹。例如，图3所示的具有矩形横截面的成型件1，可以研磨或切割成任何形状，包括圆形。然而，在成型件的制造过程中也可以从一开始就提供圆形横截面，在所述成型件中层的外周在不同情况下是圆形的。在该成型件中，层垂直于主流动方向T延伸，而板条以与主流动方向45°的角延伸。
图5中通过示例示出了具有正方形足迹并具有交错的、阶梯状板条2a、2b 的三维结构的同样更大块，其中，层3排列成垂直于主流动方向T。与前述实施例相比，所述块包括两个区域C、D，在其中所述阶梯状板条被不同地排列。板条在这两个区域中的排列绕主流动方向T旋转，以便以90°相互偏置。基于该旋转，可以实现甚至更好的混合。
图6示出具有圆形足迹以及同样交错的、阶梯状板条2a、2b的更大块的模制件1的示例。层排列成垂直于主流动方向T。在其内部所述块可以包括多个区域，在所述区域中阶梯状板条以类似于图5的方式被不同地排列，在那里板条的排列可以绕主流动方向T旋转，以便以90°相互偏置。成型件在其圆周上由包封件4确定边界。在这该特定示例中包封件4是成型件1的一体的组成部件，也就是说，成型件1与包封件形成为一件式。
该成型件，通过轻微的调整，也可以由用于图1所示的成型件1的上述方法来制造。模板设计成使得其具有与成型件1相同的圆形横截面，并在圆周上具有对应于包封件4的凹部。以这种方式，整个成型件1可以通过一种方法来制造。以示例性方式示于图4的成型件1和其包封件，是由碳化硅陶瓷构成。
图7中通过示例示出了具有正方形足迹和交错的、阶梯状板条的更大的成型件。层排列成垂直于主流动方向T。块包括多个区域C、D，在其中阶梯状板条被不同地排列。出于说明的目的，将成型件1的包封件4切割开，并在一个边缘处去除。板条在两个区域C、D中的排列绕主流动方向T旋转，以便以90°相互偏置。
图8a、8b、8c、8d示出了具有矩形足迹的替代成型件，所述足迹具有交错的、阶梯状板条以及排列成平行于主流动方向T的层。这些实施例示出了包封件4的各种结构，其以类似于图6的方式为包封件4以及最终成型件的一体的组成部件。图8a示出了平行于主流动方向T延伸的翅片。这样的翅片对于用于改进的温度交换的热交换器特别重要。图8b示出了包封件4上的肋结构。图8c示出了双包封件4，其通过支柱，形成空腔包封件4。图8d示出了在具有圆形横截面的成型件1上的双包封件4。双包封件4特别地可以提供成型件1的改进的绝缘。
图9示出了具有矩形足迹的成型件1的示例，所述足迹具有交错的、阶梯状板条和排列成垂直于主流动方向1的层。块包括两个区域C、D，在其中，阶梯状板条不同地排列，其中，板条在这两个区域的排列绕主流动方向T旋转， 以便以90°相互偏置。具有用于蒸馏流体的平行管道的块E可另外附有出口。如上所述，这些管道也可以制造成与成型件1是一体的。
图10是在具有低雷诺兹数(层流条件)的流体通过根据本发明的成型件的情况下的流体管线的图示。在流动管线的图示中省略了流动通过的三维结构、即成型件的内部空间。流动管线在结构的平面中非常迅速地分叉，阶梯状板条位于所述结构中并分布在整个管道的横截面上，而在与其垂直的方向上几乎不能识别任何的分散。
在根据本发明的制造方法中，每一层将因此通过模板涂覆。这里，多排可塑性变形化合物，在本情况下由1.4404不锈钢的细粒粉末(粒度<30微米)构成的糊剂，其具有水和由甲基纤维素和适量的诸如尤其烷基苯磺酸钠、乙二醇和聚乙二醇的其它成分组成的有机粘合剂，也可以通过模板的凹部制备，以产生第一层2的阶梯。在其涂覆后干燥每一排。为了加速干燥，这里可以使用例如50℃的提高的温度以及具有低空气湿度的受控气氛。一旦所有排的层2通过模板涂覆并干燥后，使用另一模板再次成排涂覆可塑性变形化合物的第二层2'并干燥。一旦以示例性方式示出的最后一层2””已被涂覆，在炉中烧结成品成型件。这里，在第一步骤中在500℃-600℃的降低的温度下供应有机粘合剂。在几百微米的典型的板条尺寸的情况下，该步骤需要约0.5小时。此后，烧结处理本身在约1200-1350℃的温度下进行，同样地约0.5小时。烧结后，将炉内的温度缓慢和连续地降低，并且部件被以这种方式冷却。这样生产的成型件之后由烧结的不锈钢W-No.1.4404(X2CrNiMo17-12-2，奥氏体不锈钢)构成。
所产生的成型件1可以随后用机加工、涂覆、切割，粘合或以另一种方式进行处理。在最简单的情况下，成型件被推入套筒。这样的简单的成型件1可以用作例如静态混合器。
根据本发明的制造方法在图11中被示出为模型。首先，提供15具有凹部的模板。模板的凹部确定待涂覆的第一层的空间尺寸，而模板的固定部件同时形成各个层的随后的空隙。第一可塑性变形化合物是通过模板16涂覆，诸如、例如上述1.4404不锈钢的细粒粉末(粒度<30微米)构成的糊剂，其具有水和由甲基纤维素和适量的诸如尤其烷基苯磺酸钠、乙二醇和聚乙二醇的其它成分组成的有机粘合剂。一旦模板被移除，留下了具有空隙的第一层。使用相同的模板，可以涂覆具有相同轮廓的另一排。使用另一模板，将具有可塑性变形化 合物的另一层涂覆到第一层17上。该步骤可以重复17，以便每次有层被涂覆。在本示例中，具有专用图案的专用模板、即在模板中的凹部的专用构造，用于每一层。这里，模板被选择为连续的，使得后面的模板的凹部接触已经至少涂覆在边缘上的层，如果其上放置模板的表面的甚至高达50％不被重叠。
根据所使用的可塑性变形化合物，可以在各个涂覆步骤16、17之间进行干燥或固化步骤。在本示例中，一旦期望的成型件包括所有设想的层，就进行固化20。此外此时如上所述地进行烧结。
通过根据本发明的方法，可以使用相对少量的不同模板来创建复杂的功能性三维成型件。
图12a示出了根据本发明的方法中可以使用的模板20的示例。该示意性模板20可用于例如涂覆图2所示的成型件的第一层2。模板20由不锈钢制成，并包括已经轧制特定的图案的主体。在该情况下，模板20包括具有凹部22的不锈钢主体21，凹部22形成了对应于图2所示的成型件1的第一层2的图案的图案。从观察者的视角进行时，图2的成型件1的第一阶梯在涂覆可塑性变形材料之后形成凹槽22。由于这是第一层2，在各个阶梯之间设置有连接接缝。所述连接接缝由通过另一凹部24涂覆在模板30上的可塑性变形化合物形成。关于图2和所得的成型件1，不锈钢主体21的黑色区域形成成型件1的空隙。凹部22和随其生成的阶梯的边缘长度可以是例如10微米至10毫米，取决于所设想的应用。在本示意性实施例中，凹部22的边缘长度为100至250微米。
图12b中示出了另一模板20'。这样的另一模板20'可以用于涂覆图2的另一层2'。模板包括不锈钢主体21'，凹部22'已被轧制到不锈钢主体21'。这里，凹部22'已设置成相对于凹部22偏置，即，使得以示意性方式用于制造如图2的成型件1，基于凹槽22'，已涂覆的阶梯层2的上侧的一半保持可见。以这种方式，产生了形成层2和2'之间的结合区域的重叠区域。所述可塑性变形化合物是通过凹槽22'涂覆的。不锈钢主体21'被保留，即它在成型件1中形成空隙。已由此由不锈钢主体21、21'以复合形式形成的整个成型件1的全部空隙，在成品成型件1中形成内部体积。模板20、20'、以及凹部的布置被选择成使得创建设计成连续的并完全流体连通的内部体积。这样的内部体积由流体流动通过而无死区，并且可利用为例如静态混合器。