特開 2023-57028 透過接続デバイス、そのデバイスを使用した接続方法、及び結果として得られる接続構造

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023057028

(43)【公開日】2023-04-20

(54)【発明の名称】透過接続デバイス、そのデバイスを使用した接続方法、及び結果として得られる接続構造

(51)【国際特許分類】

   B29C 65/16 20060101AFI20230413BHJP

【ＦＩ】

B29C65/16

【審査請求】有

【請求項の数】13

【出願形態】ＯＬ

【外国語出願】

(21)【出願番号】P 2022142951

(22)【出願日】2022-09-08

(31)【優先権主張番号】21201762.8

(32)【優先日】2021-10-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】EP

(71)【出願人】

【識別番号】522238491

【氏名又は名称】ブランソン ウルトラスチャル ニーデルラッスン デル エマーソン テクノロジーズ ゲゼルシャフト ミット ベシュレンクテル ハフツング アンド カンパニー オーエイチジー

(74)【代理人】

【識別番号】100114775

【弁理士】

【氏名又は名称】高岡 亮一

(74)【代理人】

【識別番号】100121511

【弁理士】

【氏名又は名称】小田 直

(74)【代理人】

【識別番号】100202751

【弁理士】

【氏名又は名称】岩堀 明代

(74)【代理人】

【識別番号】100208580

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 玲奈

(74)【代理人】

【識別番号】100191086

【弁理士】

【氏名又は名称】高橋 香元

(72)【発明者】

【氏名】オリバー キール

【テーマコード（参考）】

4F211

【Ｆターム（参考）】

4F211AA17

4F211AA32

4F211AD01

4F211AE03

4F211AH33

4F211AR02

4F211AR06

4F211AR12

4F211TA01

4F211TC03

4F211TD11

4F211TJ11

4F211TN27

4F211TQ01

(57)【要約】

【課題】透過接続デバイス、そのデバイスを使用した接続方法、及び結果として得られる接続構造を提供すること。
【解決手段】光吸収材料で作られた第１の構成要素（３）を光透過材料で作られた第２の構成要素（５）に、光透過接合技術によって接続するための本発明の透過接続デバイス（１）は、第１の構成要素（３）を保持する第１の支持体（１２）に取り付けられた第１のツール（１０）と、第２の構成要素（５）を保持する第２の支持体（２２）に取り付けられた第２のツール（２０）と、を備え、第１のツール（１０）及び第２のツール（２０）は、相対的に移動可能であり、第１のツール（１０）は、高い熱抵抗を有する断熱体（１４）の層で少なくとも部分的に作られるか、又はそれを備える。
【選択図】図５

【特許請求の範囲】

【請求項1】

光吸収材料で作られた第１の構成要素（３）を光透過材料で作られた第２の構成要素（５）に、光透過接合技術によって接続するための透過接続デバイス（１）であって、
ａ．前記第１の構成要素（３）を保持する第１の支持体（１２）に取り付けられた第１のツール（１０）と、
ｂ．前記第２の構成要素（５）を保持する第２の支持体（２２）に取り付けられた第２のツール（２０）と
を備え、
ｃ．前記第１のツール（１０）及び前記第２のツール（２０）が、相対的に移動可能であり、
ｄ．前記第１のツール（１０）が、高い熱抵抗を有する断熱体（１４）の層で少なくとも部分的に作られるか、又はそれを備える、
透過接続デバイス（１）。

【請求項2】

前記断熱体（１４）が、λ≦２Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を有する、請求項１に記載の透過接続デバイス（１）。

【請求項3】

前記断熱体（１４）が、ｔ_ｍｐ≧２００℃の融点を有する、請求項１又は２に記載の透過接続デバイス（１）。

【請求項4】

前記断熱体（１４）が、熱可塑性材料である、請求項１又は２に記載の透過接続デバイス（１）。

【請求項5】

前記断熱体（１４）が、１ｍｍ≦ｔ_ｉ≦１０ｃｍの範囲内の厚さを有する、請求項１又は２に記載の透過接続デバイス（１）。

【請求項6】

前記第１のツール（１０）が、前記断熱体（１４）に隣接する非粘着コーティング（１６）を更に備え、これにより、前記非粘着コーティング（１６）が、前記第１のツール（１０）の前記第１の構成要素（３）との少なくとも接触領域に存在する、請求項１に記載の透過接続デバイス（１）。

【請求項7】

前記非粘着コーティング（１６）が、ポリテトラフルオロエチレンを備える、請求項６に記載の透過接続デバイス（１）。

【請求項8】

前記第１の支持体（１２）及び／又は前記第２の支持体（２２）が、少なくとも部分的に金属で作られている、請求項１、２、６又は７に記載の透過接続デバイス（１）。

【請求項9】

光吸収材料で作られた第１の構成要素（３）を光透過材料で作られた第２の構成要素（５）に接続するための請求項１に記載の透過接続デバイス（１）を使用した接続方法であって、前記第１の構成要素（３）が、少なくとも接続部分において高い熱伝導率を有し、前記接続方法が、
ａ．前記第１の構成要素（３）を前記第１のツール（１０）内に配置するステップと、
ｂ．前記第２の構成要素（５）を前記第２のツール（２０）内に配置するステップと、
ｃ．前記第１のツール（１０）及び前記第２のツール（２０）を、前記第１の構成要素（３）及び前記第２の構成要素（５）が少なくとも部分的に互いに当接する接続位置に、相対的に移動させるステップと、その後、
ｄ．前記第１の構成要素（３）及び前記第２の構成要素（５）に溶接力を印加し、前記溶接力を印加しつつ、光源によって前記第１の構成要素（３）及び前記第２の構成要素（５）を照射するステップと、その後、
ｅ．前記第１のツール（１０）及び前記第２のツール（２０）を前記接続位置から相対的に移動させるステップと
を含む、接続方法。

【請求項10】

前記光源が、レーザ光源である、請求項９に記載の接続方法。

【請求項11】

前記第２の構成要素（５）を前記第２のツール（２０）内に配置する前記ステップが、
ｂ１．前記第２の構成要素（５）を、前記第１のツール（１０）内の前記第１の構成要素（３）上に配置するステップと、
ｂ２．前記第１のツール（１０）及び前記第２のツール（２０）を、前記第２のツール（２０）が前記第２の構成要素（５）を受ける移動位置に、相対的に移動させるステップと
を含む、請求項９又は１０に記載の接続方法。

【請求項12】

前記第１の構成要素（３）の前記熱伝導率が、λ≧５０Ｗ／（ｍＫ）の範囲内である、請求項９又は１０に記載の接続方法。

【請求項13】

光吸収材料で作られた第１の構成要素（３）と、光透過材料で作られた第２の構成要素（５）と、を備える接続構造（７）であって、前記第１の構成要素（３）が、前記第２の構成要素（５）に接続される少なくとも接続部分に高い熱伝導率を有する、接続構造（７）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、光吸収材料で作られた第１の構成要素を光透過材料で作られた第２の構成要素に、光透過接合、又は溶接技術によって接続するための透過接続デバイス、その透過接続デバイスを使用した接続方法、並びに光吸収材料で作られた第１の構成要素及び光透過材料で作られた第２の構成要素からなる、結果として得られる接続構造に関する。

【背景技術】

【0002】

エネルギー貯蔵、特に電気エネルギーを貯蔵する分野では、様々な解決策が存在する。これらの解決策の１つは、近年ますます重要になってきているバッテリの使用である。

【0003】

バッテリの分野では、やはりいくつかの代替的な解決策が存在する。とりわけ、フローバッテリ又はレドックス・フロー・バッテリが使用され、これは、化学エネルギーが、膜の別々の側面で、システムを通ってポンプ輸送される液体に溶解した２つの化学成分によって供給される電気化学セルの１つのタイプである。レドックスバッテリの一例は、欧州特許出願公開第０３１２８７５号明細書に記載されている。

【0004】

このようなバッテリシステムでは、電極は、大きな電気化学電位窓のために、通常グラファイトで構成される。それぞれのグラファイト電極の例示的な製造方法は、欧州特許出願公開第２５１９４７９号明細書に記載されている。この中で、層状複合材料が、少なくとも１つの織物の層と、グラファイト粒子が少なくとも１つの固体有機添加剤と混合して混合物を形成し、このようにして得られた混合物が圧縮される方法によって得られる少なくとも１つのグラファイト含有成形体と、を含んで製造される。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】欧州特許出願公開第０３１２８７５号明細書

【特許文献2】欧州特許出願公開第２５１９４７９号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特に先行技術に鑑みて、本発明の課題は、電気化学セルで使用するためのそれぞれのグラファイト電極を製造する代替方法、並びにそのようなグラファイト電極を製造するそれぞれのデバイスを提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0007】

上記の目的は、独立請求項１に記載の透過接続デバイス、独立請求項９に記載の本発明の透過接続デバイスを使用した接続方法、並びに独立請求項１３に記載の接続構造によって解決される。更なる好ましい実施形態及び開発は、以下の説明、図面及び添付の特許請求の範囲から生じる。

【0008】

光吸収材料で作られた第１の構成要素を光透過材料で作られた第２の構成要素に、光透過接合技術によって接続するための本発明の透過接続デバイスは、第１の構成要素を保持する第１の支持体に取り付けられた第１のツールと、第２の構成要素を保持する第２の支持体に取り付けられた第２のツールと、を備え、第１のツール及び第２のツールは、相対的に移動可能であり、第１のツールは、高い熱抵抗を有する断熱体の層で少なくとも部分的に作られるか、又はそれを備える。

【0009】

例えば、透過溶接デバイスなどの透過接続デバイスの一般的な構成、並びに手続きの流れは、従来技術、特にプラスチック溶接の分野で知られている。その中で、透過溶接デバイスは、光又はレーザ吸収材料の第１のプラスチック構成要素を、光又はレーザ透過材料の第２のプラスチック構成要素に接続するために使用される。それぞれのプロセスは、２つのプラスチック構成要素を接続する概念は同じであるが、レーザプラスチック溶接、透過溶接又はポリマー溶接としても示される。

【0010】

この結合又は接続方法の基本原理は、接続を形成するために、１つのプラスチック構成要素、すなわち透過構成要素を通してレーザ放射を透過させることである。エネルギーが材料の表面に印加される標準的な溶接とは異なり、透過接続方法は、それらの界面で２つのプラスチック構成要素間にエネルギーを印加する。これは、完全な接続部分、接続構造又は溶接線を同時に照射することによって、すなわち、同時の光又はレーザ透過溶接によって行われ得る。更なる方法は、他の方法に加えて、擬似同時透過溶接又は輪郭溶接である。本発明内では、同時法の使用が特に好ましい。

【0011】

ここで、本発明の透過接続デバイスの構造及び機能が、電気化学セルなどに使用するためのグラファイト電極の例示的な製造に基づいて論じられる。

【0012】

例示的なグラファイト電極は、光又はレーザ吸収材料で作られた第１の構成要素からなる。好ましい例では、第１の構成要素は、グラファイト粒子で充填されたプラスチックマトリックス材料である。第２の構成要素は、例えば、第１の構成要素を含むグラファイトをレドックス・フロー・バッテリ・セル・スタックに後で取り付けるためのフレームを設け、好ましくは、使用される光又はレーザに対して透明なプラスチックからなる。

【0013】

第１の構成要素を第２の構成要素に接続する、すなわち接合又は溶接するために、最初に第１の構成要素及び第２の構成要素は、第１のツールと第２のツールとの間に配置される。例えば、第１の構成要素は、第１のツール内に配置され、第２の構成要素は、第１の構成要素上に、あるいは第２のツール内に配置される。これに関して、接続構造又は接続部分において第１の構成要素を加熱するための光、特にレーザ光は、第２のツールから来るので、第２の構成要素を最初に通過すると仮定される。例えば、第１の支持体に取り付けられる第１のツールは、下部ツールであり、第１の支持体は、昇降台である。したがって、第２の支持体に取り付けられる第２のツールは、導波路を備える上部ツールであり、導波路は、出口端部に透明プレートを有し、反対側の入口端部を用いて上部支持体としての上部取付けプレートに取り付けられる。好ましくは、第１及び／又は第２の支持体は、金属、特に鋼又はアルミニウムで、少なくとも部分的に作られる。

【0014】

構成要素がデバイス内に配置された後、第１の構成要素及び第２の構成要素が、少なくとも部分的に、好ましくはそれぞれの接続部分に互いに当接する接続位置に、第１のツール及び第２のツールは、相対的に移動される。

【0015】

その後、溶接力が、第１の構成要素及び第２の構成要素に印加され、第１の構成要素及び第２の構成要素は、溶接力の間に光源によって照射され、したがって、結果として生じる接触圧力が維持される。好ましくは、第１の構成要素及び第２の構成要素は、接続部分において照射される。透明又は上部の第２の構成要素を通る、光透過、特にレーザ光透過の後、入射光は、下部の第１の構成要素によって吸収され、材料内で熱に変換される。レーザ光が吸収構成要素によって熱に変換されると、熱エネルギーは、透明構成要素に伝達され、透明構成要素が軟化して、溶融することを可能にする。２つの構成要素が密接に接触することを確実にすることによって、熱エネルギーを透明構成要素に伝導することができる。

【0016】

例示的な第１の構成要素、すなわち、グラファイト粒子で充填されたプラスチックマトリックス材料と組み合わせて透過接続方法を使用し得ることについて、レーザ透過溶接の既知のデバイスは適切ではない。特に、一般的なレーザ透過溶接デバイスでは、信頼性の高い接続が得られるように接続されるべき構成要素を十分に加熱することができないことが分かった。光源によって構成要素に導かれるエネルギー量を増加させても、この欠点を完全に克服することはできなかった。

【0017】

集中的な研究の後、第１のツールとして断熱体を使用するか、又は第１のツールで断熱体の層を使用すると、この欠点を克服することが分かった。この断熱体を使用することにより、上述のような例示的なグラファイト電極を製造するための透過接続方法を適用することが実現される。断熱体は、例えば、第１の支持体への熱伝導を少なくとも阻害するか、好ましくは防止するからである。これについては以下で説明する。

【0018】

本方法の最後のステップとして、特に光源がオフにされ、軟化した材料を硬化させるために構成要素が溶接力と共に押圧される十分な時間が経過した後、第１のツール及び第２のツールは、接続位置から相対的に移動される。ここで、ユーザは、製造された接続構造、すなわち、レドックス・フロー・バッテリを組み立てるためのフレーム要素を有する例示的なグラファイト電極を取り外すことができる。

【0019】

上記の説明に基づいて、グラファイト電極を製造するために光透過接合技術が使用されることは、従来技術との第１の違いであり、本発明の特定の技術的利点である。特に、この技術の使用は、製造を容易で、費用効率的にする。更なる利点は、そのようなグラファイト電極を製造するために光透過接合技術を適用することができるデバイスが開発されたことである。

【0020】

これに関して、特に透過接続デバイスに関して、第１の構成要素としての光又はレーザ吸収及び高熱伝導材料が、光又はレーザ透過性の第２の構成要素に接続される、すなわち接合又は溶接される任意の用途に、好ましくは任意の電気化学用途に、本発明の透過接続デバイスを、更に使用できることが分かった。

【0021】

グラファイトは、λ＝１１９～１６５Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を有するので、λ≧５０Ｗ／（ｍＫ）、好ましくはλ≧７５Ｗ／（ｍＫ）、特に好ましくはλ≧１００Ｗ／（ｍＫ）の範囲の熱伝導率を有する材料はすべて、高熱伝導材料と見なされる。これに関して、材料の熱伝導率は、熱を伝導する能力を示す強い意味を持つ特性であることが指摘される。熱伝導率の測定方法に関しては、レーザフラッシュ分析又はレーザフラッシュ法を参照されたい。この分析又は方法は、平面平行試料の一方の面を加熱するエネルギーパルスによって様々な異なる材料の熱拡散率を測定するために使用され、エネルギー入力による裏面の結果として生じる時間依存性の温度上昇を検出する。

【0022】

完全を期すために、使用されるプロセス、すなわち光透過接合技術に起因して、断熱体は、低い熱伝導率で、更に、この技術に固有の更なる要件を満たさなければならないことが指摘される。例えば、上述のように、第１の構成要素又は吸収構成要素は、レーザ光によって加熱される。したがって、断熱体は、それぞれの熱抵抗を有する必要がある。言い換えれば、断熱体の融点は、接続方法中に、吸収構成要素が加熱される温度よりも十分に高くなければならない。

【0023】

更に、２つの構成要素を互いに接続するために印加される溶接力を考慮しなければならない。したがって、この溶接力及び結果として生じる接触圧力に耐えなければならない断熱体は、この点でもそれぞれの耐性を有する必要がある。

【0024】

これらの要因はすべて、適切な断熱体を評価する際に考慮されなければならない。以下では、これらの要件は、好ましい実施形態に基づいてより明確になるであろう。
透過接続デバイスの好ましい実施形態では、断熱体は、λ≦２Ｗ／（ｍＫ）、好ましくはλ≦１Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を有する。この要件により、断熱体が低い熱伝導率を有し、適切な断熱をもたらし、したがって第１のツールへの熱伝導を防止することが特に保証される。

【0025】

本発明の透過接続デバイスでは、断熱体がｔ_ｍｐ≧２００℃、好ましくはｔ_ｍｐ≧２５０℃の融点を有することが更に好ましい。この要件によって、上述の第２の項目が対処される。特に、断熱体は、２つの構成要素の接続中に溶融しない。
上記の結果として、断熱体が熱可塑性材料、特にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）であることが特に有利である。断熱体の特に好ましい材料としてのＰＥＥＫは、一方では約λ＝０．２５Ｗ／（ｍＫ）の極めて低い熱伝導率を有し、他方では約ｔ_ｍｐ＝３３５℃の高い融点を有する。更に、これは、上述したように、印加された溶接力に対して十分な耐性を有する。

【0026】

断熱体は、１ｍｍ≦ｔ_ｉ≦１０ｃｍ、好ましくは２．５ｍｍ≦ｔ_ｉ≦７．５ｃｍ、特に好ましくは５ｍｍ≦ｔ_ｉ≦５ｃｍの範囲の厚さを有することが更に好ましい。これらの厚さ範囲によって、熱伝導を確実に防止することができる。これに関して、第１のツール又はそれぞれの層の厚さは、使用される材料に依存し、使用される材料と相互に関連する。例えば、高い熱伝導率を有する材料は、第１の支持体への熱伝導を防止するために厚い厚さが必要とされ得るが、ＰＥＥＫのような低い熱伝導率を有する材料は、高い熱伝導率を有する材料と比較して、薄い厚さで存在し得る。

【0027】

透過接続デバイスの特に好ましい実施形態によれば、第１のツールは、断熱体に隣接する非粘着コーティングを更に備え、これにより、非粘着コーティングは、第１のツールの第１の構成要素との少なくとも接触領域に存在する。好ましくは、非粘着コーティングは、ポリテトラフルオロエチレンからなる。このコーティングにより、第１の構成要素の第１のツールへの粘着を、処理の確実な方法で防止することができる。

【0028】

耐力性に関する要件に関して、上述したように、第１のツールの断熱体は、使用中に断熱体の十分な安定性が存在するように、力、特に圧縮力に耐えることが好ましい。具体的には、亀裂形成など、溶接されるべき構成要素を互いに押圧するために印加される力に起因する断熱体の損傷が生じないようにする。

【0029】

光吸収材料で作られた第１の構成要素を光透過材料で作られた第２の構成要素に接続するための本発明の透過接続デバイスを使用した本発明の接続方法であって、第１の構成要素が、少なくとも接続部分において高い熱伝導率を有し、本発明の接続方法は、以下のステップ、すなわち、第１の構成要素を第１のツールに配置するステップと、第２の構成要素を第２のツールに配置するステップと、第１のツール及び第２のツールを、第１の構成要素及び第２の構成要素が少なくとも部分的に、好ましくはそれぞれの接続部分に当接する接続位置に、相対的に移動させるステップと、その後、第１の構成要素及び第２の構成要素に溶接力を印加し、更に溶接力を印加しつつ光源によって第１の構成要素及び第２の構成要素を照射するステップと、を含み、第１の構成要素及び第２の構成要素は、好ましくは、接続部分で照射され、その後、本発明の接続方法は、第１のツール及び第２のツールを接続位置から相対的に移動させるステップを含む。この方法によって、上記の例示的なグラファイト電極のような接続構造を、透過接合技術によって製造することができる。繰り返しを避けるために、結果として生じる技術的効果及び利点に関して上記の説明を参照されたい。

【0030】

接続方法の好ましい実施形態によれば、光源はレーザ光源である。また、溶接力は、接続工程中に、互いに溶接されるべき構成要素、及び断熱体が損傷しない範囲であることが好ましい。両方の好ましい実施形態に関して、透過接続デバイス及びそのそれぞれの好ましい実施形態の上記の説明も参照されたい。

【0031】

好ましくは、第２の構成要素を第２のツール内に配置するステップは、第２の構成要素を第１のツール内の第１の構成要素上に配置するステップと、第１のツール及び第２のツールを、第２のツールが第２の構成要素を受ける移動位置に、相対的に移動させるステップと、を含む。したがって、第２の構成要素は、第２のツール内に自動的に移動され、これは、第２の構成要素を第２のツール内に配置するそれぞれの手動ステップを排除する。このようにして、方法は更に自動化される。

【0032】

一般に、製造される接続構造としての例示的なグラファイト電極に関して、方法は、第１の構成要素として、グラファイト、又はグラファイトで充填されたプラスチックマトリックス材料の使用に限定されない、しかし、光を吸収し、λ≧５０Ｗ／（ｍＫ）、好ましくはλ≧７５Ｗ／（ｍＫ）、特に好ましくはλ≧１００Ｗ／（ｍＫ）の範囲の熱伝導率を有する第１の構成要素として、任意の材料と組み合わせた方法を使用することが特に好ましい。
最後に、本発明の接続構造は、光吸収材料で作られた第１の構成要素と、光透過材料で作られた第２の構成要素とからなり、第１の構成要素は、第２の構成要素に接続される少なくとも接続部分に高い熱伝導率を有する。これに関して、繰り返しを避けるために上記の説明も参照される。

【0033】

以下、本発明を図面に基づいて詳細に説明する。図面において、同じ参照符号は、同じ要素及び／又は構成要素を示す。

【図面の簡単な説明】

【0034】

【図1】初期状態の本発明の透過接続デバイスの例示的な実施形態を示す図である。

【図2】接触位置にある本発明の透過接続デバイスの例示的な実施形態を示す図である。

【図3】圧力位置にある本発明の透過接続デバイスの例示的な実施形態を示す図である。

【図4】接続段階の開始時の接続位置にある本発明の透過接続デバイスの例示的な実施形態を示す図である。

【図5】接続段階の中間の接続位置にある本発明の透過接続デバイスの例示的な実施形態を示す図である。

【図6】接続段階の終了時の接続位置にある本発明の透過接続デバイスの例示的な実施形態を示す図である。

【図7】除去又は取外し位置にある本発明の透過接続デバイスの例示的な実施形態を示す図である。

【図8】本発明の接続方法の好ましい実施形態のフローチャートの図である。

【発明を実施するための形態】

【0035】

以下、本発明の透過接続デバイス１の例示的な実施形態について説明する。通常、透過接続デバイスは、例えば自動車産業の分野において、尾灯などを製造する際に、２つのプラスチック構成要素を互いに溶接するために使用される。それぞれのプロセスは、２つのプラスチック構成要素を接続する概念は同じであるが、レーザプラスチック溶接、透過溶接又はポリマー溶接としても示される。

【0036】

この結合又は接続方法の基本原理は、接続を形成するために、１つのプラスチック構成要素、すなわち透過構成要素を通してレーザ放射を透過させることである。エネルギーが、接続される構成要素の表面に印加される標準的な溶接とは異なり、透過接続方法は、それらの界面で２つのプラスチック構成要素間にエネルギーを印加する。これは、完全な接続部分、接続構造又は溶接線を同時に照射することによって、すなわち、同時の光又はレーザ透過溶接によって行われ得る。更なる方法は、他の方法に加えて、擬似同時透過溶接又は輪郭溶接である。本発明内では、同時法の使用が特に好ましい。

【0037】

しかしながら、本発明によって提供される透過接続デバイス１は、異なる技術的応用分野、特に、例えばレドックス・フロー・バッテリの電気化学セルに使用するためのグラファイト電極の技術分野に適合される。以下に説明するように、透過接続デバイス１は、グラファイト電極の製造、又はグラファイトの加工に限らず、光吸収特性を有し、更に熱伝導率の高い任意の構成要素と組み合わせて使用され得る。

【0038】

この点において、グラファイトは、λ＝１１９～１６５Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を有するので、特に、λ≧５０Ｗ／（ｍＫ）、好ましくはλ≧７５Ｗ／（ｍＫ）、特に好ましくはλ≧１００Ｗ／（ｍＫ）の範囲内の熱伝導率を有するすべての材料は、高熱伝導材料と見なされる。

【0039】

ここで図１を参照すると、透過接続デバイス１の一般的な構成を説明している。透過接続デバイス１は、第１の構成要素３を受け入れるために、すなわち使用中に第１の構成要素３を保持するために、第１の支持体１２に取り付けられた第１のツール１０を備える。更に、透過接続デバイス１は、第２の構成要素５を受け入れるために、すなわち使用中に第２の構成要素５を保持するために、第２の支持体２２に取り付けられた第２のツール２０を備える。

【0040】

図示のように、第１のツール１０は、下部ツールである。したがって、第１の支持体１２は昇降台等であってもよい。したがって、第２のツール２０は、上部ツールであり、これにより、第２の支持体２２は、上部取付けプレートを呈し得る。第１の支持体１２としての昇降台及び／又は第２の支持体２２としての取付けプレートは、金属、好ましくは鋼又はアルミニウムである。

【0041】

第２の支持体２２には、光ガイド又はレーザファイバ３０を締結するための開口部が設けられている。光ガイド又はレーザファイバ３０は、対向する端部を用いてレーザ光源（図示せず）に接続される。第２のツール２０は、負の導波路２４、すなわち、その内部にキャビティを画定する導波路２４として存在し、キャビティは、後の使用中にレーザファイバ３０を出るレーザ光３２が反射される。導波路２４は、レーザ光３２の出口端部に、第２のツール２０によって接続される構成要素３、５に力を印加するための透明プレート２６を備える。

【0042】

上述したように、第１の支持体２２は昇降台である。この特徴により、第１のツール１０及び第２のツール２０は、相対的に移動可能である。これに関して、第１のツール１０と第２のツール２０との間の相対運動をもたらす他の構成も可能であることに留意されたい。

【0043】

更に、第１のツールは、高い熱抵抗を有する断熱体１４の層を備える。断熱体として適格であるためには、断熱体１４は、λ≦２Ｗ／（ｍＫ）、好ましくはλ≦１Ｗ／（ｍＫ）の熱伝導率を有することが好ましい。

【0044】

使用されるプロセス、すなわち光透過接合技術に起因して、断熱体１４は、この低い熱伝導率で、更に、この技術に固有の更なる要件を満たさなければならない。例えば、第１の構成要素又は吸収構成要素３は、レーザ光によってプロセス中に加熱される。したがって、断熱体１４は、上述したように、それぞれの熱抵抗を有する必要がある。言い換えれば、断熱体の融点は、接続方法中に吸収構成要素３が加熱される温度よりも十分に高くなければならない。この目的のために、断熱体は、好ましくはｔ_ｍｐ≧２００℃、好ましくはｔ_ｍｐ≧２５０℃の融点を有する。

【0045】

更に、２つの構成要素３、５を互いに接続するために使用中に印加される溶接力を考慮しなければならない。したがって、この溶接力及び結果として生じる接触圧力に耐えなければならない断熱体１４は、この点でもそれぞれの耐性を有する必要がある。

【0046】

上記の要件を満たす例示的な材料は、熱可塑性材料、特にポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）である。断熱体１４の特に好ましい材料としてのＰＥＥＫは、一方では約λ＝０．２５Ｗ（ｍＫ）の極めて低い熱伝導率を有し、他方では約ｔ_ｍｐ＝３３５℃の高い融点を有する。更に、これは、上述したように、通常印加される溶接力Ｆに対して十分な耐性を有する。

【0047】

完全を期すために、断熱体１４は、１ｍｍ≦ｔ_ｉ≦１０ｃｍ、好ましくは２．５ｍｍ≦ｔ_ｉ≦７．５ｃｍ、特に好ましくは５ｍｍ≦ｔ_ｉ≦５ｃｍの範囲の厚さを有する。これらの厚さ範囲によって、熱伝導を少なくとも妨げ、あるいは確実に防止することができる。これに関して、断熱体１４の厚さは、使用される材料に依存し、使用される材料と相互に関連する。例えば、高い熱伝導率を有する材料は、第１の支持体１２への熱伝導を妨害又は防止するために厚い厚さが必要とされ得るが、ＰＥＥＫのような低い熱伝導率を有する材料は、高い熱伝導率を有する材料と比較して、薄い厚さで存在し得る。

【0048】

断熱体１４の層の上には、非粘着コーティング１６が存在する。したがって、非粘着コーティング１６は、第１のツール１０の第１の構成要素３との少なくとも接触領域に存在する。非粘着コーティング１６は、好ましくはポリテトラフルオロエチレンからなる。このコーティングにより、以下に説明するように、第１の構成要素３の第１のツール１０への粘着を、処理の確実な方法で防止することができる。

【0049】

ここで、適応した透過接続デバイス１の構造及び機能を、電気化学セルなどに使用するために、結果として得られる接続構造７としてのグラファイト電極の例示的な製造に基づいて説明する。

【0050】

例示的なグラファイト電極は、最初に、光又はレーザ吸収材料で作られた第１の構成要素３からなる。本実施例では、第１の構成要素３は、グラファイト粒子で充填されたプラスチックマトリックス材料である。第２の構成要素５は、例えば、第１の構成要素３を含むグラファイトをレドックス・フロー・バッテリ・セル・スタックに後で取り付けるためのフレームを設け、使用される光又はレーザ光に対して透明なプラスチックからなる。それにもかかわらず、上述したように、高い熱伝導率を有する任意の他の材料、例えば別の鉱物で充填されたプラスチックマトリックス材料を吸収構成要素３として使用することができる。

【0051】

第１の構成要素３を第２の構成要素５に接続する、すなわち接合又は溶接するために、最初に第１の構成要素３及び第２の構成要素５は、第１のツール１０と第２のツール２０との間に配置される。この状態を図１に示す。ここで、第１の構成要素３は、第１のツール１０上に配置され、第２の構成要素５は、第１の構成要素３上に配置されている。それにもかかわらず、接続構造又は部分において第１の構成要素３を加熱するための光、特にレーザ光が、第２のツール２０から来るので、第２の構成要素５を最初に通過するといった、任意の構成を選択し得る。

【0052】

構成要素３、５が透過接続デバイス１内に配置された後、第１のツール１０及び第２のツール２０は、図２に示すように、接触位置に相対的に移動される。ここで、第１の構成要素１０及び第２の構成要素２０は、少なくとも部分的に、好ましくはそれぞれの接続部分で互いに当接する。

【0053】

その後、図３に溶接力Ｆによって示すように、第１の構成要素３及び第２の構成要素５に接触圧力が印加される。印加される溶接力Ｆは、通常、接続される構成要素に依存する。具体的には、溶接力Ｆは、構成要素の損傷を回避しつつ、同時に構成要素間に確実な接続が形成されるように選択されなければならない。したがって、第１のツール１０の断熱体１４は、構成要素を互いに適切に接続するために必要な範囲で、力の印加、特に圧縮力に耐える。

【0054】

印加された溶接力Ｆを維持しつつ、レーザ光源がオンにされ、そして第１の構成要素３及び第２の構成要素５は、レーザファイバ３０を通って導波路２４に、更にプレート２６を通って進む図示しないレーザ光源から出るレーザ光３２によって照射される。これを図４及び図５に示す。好ましくは、第１の構成要素３及び第２の構成要素５は、接続部分又は接続構造において照射される。

【0055】

入射したレーザ光３２は、下部の第１の構成要素３によって吸収され、材料内で熱に変換される。レーザ光３２が吸収構成要素３によって熱に変換されると、熱エネルギーは、透明構成要素５に伝達されて、透明構成要素が溶融ゾーンを生じるように軟化して、溶融することを可能にする。２つの構成要素３、５が密接に接触することを確実することによって、熱エネルギーを透明構成要素５に伝導することができる。

【0056】

光透過接合技術によって信頼性の高い接続を確立するために、透過接続デバイス１は断熱体１４を備える。この断熱体１４を使用することにより、上述のような例示的なグラファイト電極を製造するための透過接続方法を適用することが実現される。これは、断熱体１４が、例えば第１の支持体１２への熱伝導を少なくとも阻害するか、好ましくは防止するためである。その結果、熱エネルギーの損失が回避され、接続プロセスが容易になる。
図６に示すように、軟化した材料を硬化させるためにレーザ光がオフにされた後であっても、２つの構成要素３、５は互いに押圧される。特に、軟化又は溶融した材料の再結晶が達成される。

【0057】

最後に、図７に示すように、第１のツール１０及び第２のツール２０は、接続位置から相対的に移動される。ここで、ユーザは、製造された接続構造７、すなわちレドックス・フロー・バッテリを組み立てるためのフレーム要素を有する例示的なグラファイト電極を取り外すことができる。

【0058】

上記の説明に基づいて、グラファイト電極を製造するために光透過接合技術が使用されることは、従来技術との第１の違いであり、特定の技術的利点である。特に、この技術の使用は、グラファイト電極の製造を容易で、費用効率的にする。

【0059】

これに関して、特に透過接続デバイス１に関して、第１の構成要素３としての光又はレーザ吸収及び高熱伝導材料が、光又はレーザ透過性の第２の構成要素５に接続される、すなわち接合又は溶接される任意の用途に、好ましくは任意の電気化学用途に、透過接続デバイス１を、更に使用できることが分かった。

【0060】

ここで図８を参照すると、光吸収材料で作られた第１の構成要素３を光透過材料で作られた第２の構成要素５に接続するための透過接続デバイス１を使用する本発明の接続方法の一実施形態のフローチャートを、説明している。上述したように、第１の構成要素３は、少なくとも接続部分において高い熱伝導率を有する。高い熱伝導率は、λ≧５０Ｗ／（ｍＫ）、好ましくはλ≧７５Ｗ／（ｍＫ）、特に好ましくはλ≧１００Ｗ／（ｍＫ）の範囲にあると考えられる。

【0061】

第１の方法ステップｉでは、第１のツール１０内に第１の構成要素３を配置するステップが行われる。第１のステップｉの前、後、又は同時に実施され得る第２のステップｉｉでは、第２の構成要素５の第２のツール２０への配置が行われる。本方法を更に自動化するために、第２のステップｉｉは、第２の構成要素５を第１のツール１０内の第１の構成要素３上に配置するステップ（ステップｉｉ１）と、第１のツール１０及び第２のツール２０を、第２のツール２０が第２の構成要素５を受ける移動位置に、相対的に移動させるステップ（ステップｉｉ２）と、を含むことが好ましい。このように進めることにより、第２の構成要素５は、第２のツール２０内に自動的に伝達され、これにより、それぞれの手動ステップが排除される。

【0062】

両方の構成要素３、５が適切に配置された後、ステップｉｉｉにおいて、第１のツール１０及び第２のツール２０を、第１の構成要素３及び第２の構成要素５が少なくとも部分的に、好ましくはそれぞれの接続部分を互いに当接する接続位置に、相対的に移動するステップが、実施される。

【0063】

接続位置では、ステップｉｖにおいて、溶接力が、第１の構成要素３及び第２の構成要素５に印加される。更に、第１の構成要素３及び第２の構成要素５は、溶接力を印加又は維持しつつ光源によって照射される。各光源は、レーザ光源であることが好ましい。

【0064】

続いて、ステップｖにおいて、接続位置からの第１のツール１０と第２のツール２０の相対的な移動のステップが、実施される。このステップが実行された後、ユーザは、得られた接続構造７を透過接続デバイス１から除去、又は取り外すことができる。

【符号の説明】

【0065】

１ 透過接続デバイス
３ 第１の構成要素
５ 第２の構成要素
７ 接続構造
１０ 第１のツール
１２ 第１の支持体
１４ 断熱体
１６ 非粘着コーティング
２０ 第２のツール
２２ 第２の支持体
２４ 導波路
２６ プレート
３０ 光ガイド又はレーザファイバ
３２ レーザ光
Ｆ 溶着力

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【外国語明細書】