DE10058938A1 - Vorrichtung zur Messung des Ladezustands eines Latentwärmespeichers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (2) zur Messung des Ladezustandes eines Latentwärmespeichers (1) mit einem Wärmefluss-Anschluss zu dem Latentwärmespeichermaterial (3) des Latentwärmespeichers (1). Um eine automatisch arbeitende, zuverlässige Vorrichtung anzugeben, schlägt die Erfindung vor, dass das Latentwärmespeichermaterial (3) durch einen Anteil eines Bindemittels wie insbesondere eines Copolymers eine sich ändernde Lichtdurchlässigkeit in Abhängigkeit des Ladezustandes aufweist, welche Lichtdurchlässigkeit zur Bestimmung des Ladezustandes mittels einer Lichtdurchlässigkeits-Erfassungseinrichtung (4, 5) herangezogen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung des Ladezustandes eines Latentwärmespeichers mit einem Wärmefluss-Anschluss zu dem Latentwärmespeichermaterial des Latentwärmespeichers.

Latentwärmespeicher sind in den verschiedenartigsten Ausgestaltungen bekannt geworden. Unter Latentwärme­ speicher wird hier auch ein Latentkältespeicher verstan­ den, wobei entsprechend der Begriff Wärmefluss-An­ schluss auch einen Kältefluss-Anschluss umfasst.

Die Messung des Ladezustandes eines Latentwärmespei­ chers ist zunächst dadurch mit Schwierigkeiten verbun­ den, dass die Temperatur des Latentwärmespeichermate­ rials praktisch nicht zur Messung herangezogen werden kann. Es ist gerade ein Kennzeichen eines Latentwär­ mespeichers, dass im Zuge der Ladung (und auch der Entladung) die Temperatur über weite Bereiche eines Ladevorgangs gleich oder nahezu gleich ist.

Es ist daher bereits vorgeschlagen worden, Schmelzpro­ ben aus dem Latentwärmespeichermaterial des jeweiligen Latentwärmespeichers vorzusehen, die in gleicher Weise mit Wärme beaufschlagt werden, wie der Latentwärmespe­ icher im Zuge einer Ladung (oder Entladung). Man kann hierbei aber den Anfangszustand praktisch nicht oder nur über eine unterhalb einer dann als bekannt einzuset­ zenden Phasenwechseltemperatur liegenden Temperatur feststellen und den Endzustand praktisch nur durch visuelle Betrachtung, wenn die vollständige Schmelzung erreicht ist, feststellen. Denn es kann bei normalem Aufschmelzen eines Latentwärmespeichermaterials der Fall eintreten, dass inselartig noch Festbereiche ver­ bleiben. Eine Messung etwa mittels einer Reflexlicht­ schranke muss dann zu falschen Ergebnissen führen.

Ausgehend hiervon beschäftigt sich die Erfindung mit der Aufgabe, eine automatisch arbeitende, zuverlässige Vorrichtung zur Messung des Ladezustandes eines Latent­ wärmespeichers anzugeben.

Diese Aufgabe ist zunächst und im Wesentlichen beim Gegenstand des Anspruches 1 gelöst, wobei darauf abge­ stellt ist, dass das Latentwärmespeichermaterial durch einen Anteil eines Verdickungsmittels, wie insbesondere eines Copolymers, eine sich ändernde Lichtdurchlässig­ keit in Abhängigkeit des Ladezustandes aufweist, welche Lichtdurchlässigkeit zur Bestimmung des Ladezustands mittels einer Lichtdurchlässigkeits-Erfassungseinrich­ tung herangezogen ist. Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass eine Einbindung eines Latentwärmespei­ chermaterials in ein Copolymer, wie insbesondere ein Diblock-, Triblock-, Radialblock- und Multi­ block-Copolymer, zu einem - in der Regel gelatinearti­ gen - Latentwärmespeichermaterial führt, das in Abhän­ gigkeit eines Ladezustandes eine unterschiedliche Licht­ durchlässigkeit aufweist. Diese Lichtdurchlässigkeit kann entsprechend zur Bestimmung des Ladezustandes herangezogen werden.

Die genannten, vernetzten Polymere bilden ein dreidimen­ sionales Netzwerk in einer in der Regel gelatineartigen Struktur. Das Phasenwechselmaterial, wie beispielsweise Paraf­ fin, ist in diese Struktur in Form einer Vielzahl dis­ kreter Teilmengen eingeschlossen. Bei dem Phasenwech­ sel, d. h. dem Übergang von einem kristallinen in den amorphen Zustand des Phasenwechselmaterials, der genann­ ten eingeschlossenen Teilmengen, werden diese Teilmen­ gen durchsichtig (bzw. im umgekehrten Fall, bei dem Übergang von dem amorphen in den kristallinen Zustand, undurchsichtig). Die Durchsichtigkeit des Latentwär­ mespeichermaterials über eine Messstrecke, die so ge­ wählt ist, dass eine große Anzahl solcher eingeschlosse­ nen Teilmengen erfasst ist, hängt von der aufgenommenen Wärmemenge, also dem Ladezustand des Paraffins, ab.

Hinsichtlich der Polymere wird auch beispielsweise auf Styrol-Bu­ tadien-Styrol (SBS), Styrol-Isopren-Styrol (SIS) oder Styrol-Ethylen-Butylen-Styrol (S-EB-S) verwiesen.

In weiterer Ausgestaltung ist vorgesehen, dass zur Bestimmung der Lichtdurchlässigkeit eine Reflexlicht­ schranke vorgesehen ist.

Das Latentwärmespeichermaterial selbst, der Vorrich­ tung, kann unterschiedlich sein, insbesondere Paraffin­ basiert oder auch Salz(aerosiel)-basiert sein. Hin­ sichtlich Paraffin-basiertem Latentwärmespeichermate­ rial bieten sich in Bezug auf das Phasenwechselmaterial Paraffin wiederum eine Reihe von unterschiedlichen Möglichkeiten an. So können insbesondere Makroparaf­ fine, Intermedia-Paraffine und Mikrokristallinewachse zum Einsatz kommen. Diese können auch, soweit nicht gerade eine trockene Einstellung gewünscht ist, bewusst flüssige Komponenten (niedrigschmelzende n- und Iso-Al­ kane sowie Naphthene) aufweisen. Es kann auch eine spezielle Schnittlegung ausgesucht werden, die so ge­ wählt ist, dass sie vergleichsweise eng ist. Eine enge Schnittlegung bedeutet, dass nur Kettenlängen weniger Zahlen umfasst sind; beispielsweise C14 bis C16 oder C20 bis C23.

Da bekanntlich, jedenfalls im großtechnischen Maßstab, wenn keine besonderen Vorkehrungen getroffen werden, sich die Schnittlegung immer im Sinne einer Häufigkeits­ verteilung ergibt, bedeutet die vorstehend erläuterte Maßnahme, dass jedenfalls der weitaus größere Anteil einer gegebenen Menge Phasenwechselmaterials aus den wenige Zahlen umfassenden Kettenlängen gebildet ist. Im Einzelnen wird die Schnittlegung nach der erwünschten Schmelztemperatur bzw. Phasenwechseltemperatur vorgenom­ men. Darüber hinaus hat es sich als noch besonderes vorteilhaft erwiesen, die geradzahligen, normalen C-Ket­ ten (n-Alkane) zu bevorzugen. Diese weisen in der ge­ nannten Isolierung ein überraschend hohes Wärmespeicher­ vermögen bei Phasenwechsel auf.

Bei den vorgenannten Paraffinen liegt der Erstarrungs­ punkt üblicherweise im Bereich von etwa minus 20°C bis plus 70°C.

Alternativ oder zusätzlich zu den durch Vakuumdestilla­ tion gewonnenen Paraffinen können auch synthetische Paraffine, d. h. im Fischer-Tropsch-Verfahren gewonnene Paraffine, zum Einsatz kommen. Diese sogenannten FT- Paraffine bestehen vornehmlich nur aus normal-Paraffi­ nen. Mehr als 90% sind gewöhnlich n-Alkane. Der Rest sind Iso-Alkane. Die Kettenlänge liegt bei C 30 bis etwa C 100, bei einer Gradation (auch Erstarrungspunkt, EP) von ca. 68°C bis ca. 105°C. Zu den FT-Paraffinen allgemein wird auch bspw. auf die Literaturstelle A. Kühnle in "Fette, Seifen, Anstrichmittel", 1982, Seiten 156 bis 162, verwiesen.

Im vorliegenden Zusammenhang ist es auch üblich, das Latentwärmespeichermaterial der Messvorrichtung gleich auszuwählen, wie das Latentwärmespeichermaterial des Latentwärmespeichers, dessen Ladezustand gemessen wer­ den soll. Hinsichtlich der Phasenwechseltemperatur sogar dahingehend, dass diese allenfalls gleich derjeni­ gen des Phasenwechselmaterials des Latentwärmespei­ chermaterials des Latenwärmespeichers, dessen Ladezu­ stand gemessen werden soll, ist. Bevorzugt sogar niedri­ ger. Dies unter dem Gesichtspunkt, dass auch zu der Messvorrichtung bzw. dem Latentwärmespeichermaterial der Messvorrichtung hin noch eine treibende Temperatur­ differenz gegeben sein sollte. Andererseits kann auch der Fall gegeben sein, dass hinsichtlich des Latentwär­ mespeichers regelmäßig bei der Ladung eine Überhitzung vorgenommen werden soll, etwa um sicherzustellen, dass auch in allen Bereichen des Latentwärmespeichers ein Phasenwechsel erfolgt. In diesem Zusammenhang kann es dann sinnvoll sein, das Latentwärmespeichermaterial der Messvorrichtung hinsichtlich der Phasenwechseltempera­ tur so auszuwählen, dass erst bei Erreichen des ge­ wünschten Überhitzungszustandes des Latentwärmespei­ chers in der Messvorrichtung das vollständige Durch­ schmelzen erreicht wird.

In weiterer Ausgestaltung der Vorrichtung kann auch vorgesehen sein, dass hierdurch sogleich der Latentwär­ mespeicher selbst hinsichtlich seines Ladezustandes gesteuert wird. Also in Abhängigkeit der gemessenen Lichtdurchlässigkeit eine weitere Aufladung oder eine Abschaltung der Aufladung vorgenommen wird. Hierzu ist vorgesehen, dass in Abhängigkeit der gemessenen Licht­ durchlässigkeit mittels einer Schalteinrichtung eine Schaltung erfolgt.

Eine weitere, bevorzugte Ausgestaltung sieht auch vor, dass die Lichtdurchlässigkeits-Erfassungseinrichtung teilweise oder vollständig in das Latentwärmespei­ chermaterial eingebettet ist. Hierdurch lässt sich durch das in der Regel gelatineartige Latentwärmespei­ chermaterial nicht nur ein vorteilhafter Schutz, etwa Erschütterungsschutz, der elektronischen Bauteile errei­ chen. Vielmehr ist damit auch eine Temperaturkompensati­ on der Erfassungseinrichtung nicht mehr erforderlich. Die Erfassungseinrichtung besitzt immer die gleiche Temperatur, die auch dem Ladezustand der Vorrichtung bzw. des Latentwärmespeichers entspricht. Eine derarti­ ge Temperaturkurve kann einmal gemessen werden und dann jeweils zur Korrektur zugrunde gelegt werden.

In weiterer Ausführung kann auch vorgesehen sein, dass die Schalteinrichtung teilweise oder ganz in das Latentwärmespeichermaterial eingebettet ist.

Hinsichtlich eines Latentwärmespeichers, der mit einer derartigen Vorrichtung bezüglich seines Ladezustandes gemessen oder gesteuert wird, bieten sich auch wiederum verschiedene Ausgestaltungen an. Insbesondere ist es möglich, an einem Latentwärmespeicher mehrere, derartige Vorrichtungen vorzusehen. Beispielsweise bei einem relativ großen oder relativ hohen Latentwärmespeicher, bei welchem sich Schichtungen einstellen können, können in geeigneten Abständen, insbesondere Höhenabständen, jeweils eine der genannten Vorrichtungen vorgesehen sein, so dass auch der Ladezustand des Latentwärmespe­ ichers über die Höhe mit hinreichender Genauigkeit verfolgt werden kann.

Nachstehend ist die Erfindung des Weiteren anhand der beigefügten Zeichnung, die jedoch lediglich ein schema­ tisches Ausführungsbeispiel darstellt, erläutert.

Hierbei zeigt die einzige Figur eine schematische Anord­ nung eines Latentwärmespeichers mit einer zugehörigen Vorrichtung zur Messung des Ladezustandes dieses Latentwärmespeichers.

Dargestellt und beschrieben ist ein Latentwärmespeicher 1 mit einer zugeordneten Vorrichtung 2 zur Messung des Ladezustandes dieses Latentwärmespeichers 1. In dem Latentwärmespeicher 1 befindet sich ein Latentwärmespei­ chermaterial 3'. Dieses kann seinerseits wieder eine Mischung aus einem Matrixmaterial, wie etwa dem angespro­ chenen Copolymer-Material, und einem eigentlichen Phasen­ wechselmaterial sein. Die Vorrichtung 2 weist ein Latentwärmespeichermaterial 3 auf, das vermittels eines Verdickungsmittels unabhängig von dem Ladezustand des Latentwärmespeichers 1, jedenfalls in einem Temperatur­ arbeitsbereich des Latentwärmespeichers 1, immer ein gelatineartiger Stoff ist. Wesentlich ist, dass das Latentwärmespeichermaterial eine sich in Abhängigkeit des Ladezustandes definiert ändernde Lichtdurchlässig­ keit aufweist.

In dieses Latentwärmespeichermaterial 3 ist ein Licht­ sender 4 und ein Lichtempfänger (Fotodetektor) 5 einge­ bettet, die zusammen eine Lichtschranke bilden. Es kann bspw. auch in bekannter Weise ein Lichtsender und -em­ pfänger nebeneinander angeordnet sein und gegenüberlie­ gend ein Reflektor. Der Abstand a zwischen dem Lichtsen­ der 4 und dem Lichtempfänger 5 ist bekannt und aufgrund von Distanzelementen 6 auch einstellbar oder jedenfalls justierbar. Eine Einstellung kann etwa dahingehend vorgenommen werden, dass bei kleinen Entfernungen auch relativ geringfügige Ladezustands-Änderungen differen­ ziert erfasst werden können, während große Abstände günstiger sind, wenn insoweit ein gröberes Messraster lediglich angestrebt ist.

Ohnehin ist zur Vermeidung von Ausdehnungs- oder Schrumpfungsvorgängen die Vorrichtung 2 hinsichtlich jedenfalls des Latentwärmespeichermaterials 3 und der Lichtschranke 4, 5 in ein festes Gehäuse 7 aufgenommen.

Der Lichtsender 4 und der Lichtempfänger 5 geben je­ weils Signale an eine Auswerteeinrichtung 8. Die Auswer­ teeinrichtung 8 ist wiederum mit einer Steuereinrich­ tung 9 gekoppelt, die auf eine Ladeeinrichtung 10 ein­ wirkt, etwa hinsichtlich des An- oder Abschaltens einer elektrischen Beheizung oder einer Warmwasserbeheizung des Latentwärmespeichers 1.

Der Latentwärmespeicher 1 kann aus einem beliebigen Latentwärmespeichermaterial bestehen. Wesentlich ist nur, dass über den, beim Ausführungsbeispiel in den Latentwärmespeicher 1 vorstehenden Wärmefluss-An­ schlussabschnitt 11 der Vorrichtung 2, der jeweils in dem Latentwärmespeichermaterial 3 des Latentwärme­ speichers 1 herrschende Ladezustand sich in dem Latent­ wärmespeichermaterial 3 der Vorrichtung 2 ohne wesentli­ che Verzögerung entsprechend einstellt.

Abweichend von dem beschriebenen Ausführungsbeispiel kann die Vorrichtung 2 auch insgesamt in dem Latent­ wärmespeichermaterial 3' des Latentwärmespeichers 1 aufgenommen sein. Etwa eingekapselt in eine Tauchhülse.

Alle offenbarten Merkmale sind (für sich) erfindungswe­ sentlich. In die Offenbarung der Anmeldung wird hiermit auch der Offenbarungsinhalt der zugehörigen/beigefügten Prioritätsunterlagen (Abschrift der Voranmeldung) voll­ inhaltlich mit einbezogen, auch zu dem Zweck, Merkmale dieser Unterlagen in Ansprüche vorliegender Anmeldung mit aufzunehmen.

Claims (8)

1. Vorrichtung (2) zur Messung des Ladezustandes eines Latentwärmespeichers (1) mit einem Wämefluss-Anschluss zu dem Latentwärmespeichermaterial (3') des Latentw­ ärmespeichers (1), dadurch gekennzeichnet, dass das Latentwärmespeichermaterial (3) durch einen Anteil eines Bindemittels, wie insbesondere eines Coplymers eine sich ändernde Lichtdurchlässigkeit in Abhängigkeit des Ladezustandes aufweist, welche Lichtdurchlässigkeit zur Bestimmung des Ladezustandes mittels einer Licht­ durchlässigkeits-Erfassungseinrichtung (4, 5) herangezo­ gen ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder insbesondere da­ nach, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Lichtdurchlässigkeit eine Reflexlichtschranke (4, 5) vorgesehen ist.

3. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Latentwärmespeichermaterial ein Paraffin-basiertes Latentwärmespeichermaterial ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Latentwärmespeichermaterial ein Salz-basiertes Latentwärmespeichermaterial ist.

5. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zur Steuerung eines Latentwärmespeichers in Abhängigkeit der gemessenen Lichtdurchlässigkeit mittels einer Schalteinrichtung (9) eine Schaltung erfolgt.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der vorhergehen­ den Ansprüche oder insbesondere danach, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Lichtdurchlässigkeits-Erfassungsein­ richtung (4, 5) teilweise oder vollständig in das Latentwärmespeichermaterial (3) eingebettet ist.

7. Latentwärmespeicher (1) mit einer Vorrichtung (2) nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass dem Latentwärmespeicher (1) mehre­ re derartige Vorrichtungen (2) zugeordnet sind.

8. Latentwärmespeicher nach Anspruch 7 oder insbesonde­ re danach, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung (2) vollständig in das Latentwärmespeichermaterial (3') des Latentwärmespeichers (1) eingebettet ist.