DE102009013189A1

DE102009013189A1 - Warmwasserspeichervorrichtung und Phasenwechselmaterial-Kapseln

Info

Publication number: DE102009013189A1
Application number: DE102009013189A
Authority: DE
Inventors: Ralf-Rainer Nolte; Dennis Rüdingloh
Original assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Current assignee: Stiebel Eltron GmbH and Co KG
Priority date: 2009-03-17
Filing date: 2009-03-17
Publication date: 2010-09-23

Abstract

Es wird eine Warmwasserspeichervorrichtung mit einer Mehrzahl von Kapseln zur Aufnahme eines Phasenwechselmaterials (100) vorgesehen. Die Kapseln weisen eine untere und eine obere Halbschale (10, 20) auf, welche das Phasenwechselmaterial (100) komplett umgeben. Durch die Kapselung des Phasenwechselmaterials (100) kann gewährleistet werden, dass das Phasenwechselmaterial (100) nicht aus dem Warmwasserspeicher entweicht.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Warmwasserspeichervorrichtung sowie Phasenwechselmaterial-Kapseln.
Warmwasserspeicher mit einem Phasenwechselmaterial sind hinlänglich bekannt. Hierbei kann das Phasenwechselmaterial eine große Speicherkapazität während des Phasenwechsels aufweisen, was zur Speicherung von Wärme verwendet werden kann.
DE 10 2006 059 533 A1 zeigt ein thermoreguliertes Wärmespeicherelement. Der Warmwasserspeicher weist einen Hohlkörper auf, in welchem Phasenwechselmaterial vorgesehen wird. Das hier gezeigte Wärmespeicherelement wird beispielsweise im Catering oder in einer Transportbox für Medikamente verwendet.
DE 10 2007 010 104 A1 zeigt ein Latentwärmespeichermaterial, welches makroverkapselt ist. Hierbei werden zwei Halbschalen durch ein Laserschweißen miteinander verbunden. Als Material für die Halbschalen wird Polyolefin verwendet.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Warmwasserspeicher mit verkapseltem Phasenwechselmaterial vorzusehen, welcher eine verbesserte Effizienz aufweist.
Diese Aufgabe wird durch einen Warmwasserspeicher gemäß Anspruch 1 gelöst.
Somit wird eine Warmwasserspeichervorrichtung mit einer Mehrzahl von Kapseln zur Aufnahme eines Phasenwechselmaterials vorgesehen. Die Kapseln weisen eine untere und eine obere Halbschale auf, welche das Phasenwechselmaterial komplett umgeben. Durch die Kapselung des Phasenwechselmaterials kann gewährleistet werden, dass das Phasenwechselmaterial nicht aus dem Warmwasserspeicher entweicht.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung werden die untere und obere Halbschale 10, 20 durch eine Umspritzung miteinander verbunden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weisen die obere und untere Halbschale an ihren Stoßkanten einen umlaufenden Vorsprung auf. Die beiden Vorsprünge können durch eine Naht miteinander verbunden werden. Somit kann beispielsweise durch einen Schweißvorgang erreicht werden, dass die untere und obere Halbschale miteinander verbunden werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung weist die Kapsel eine zylindrische Grundform mit halbkugelförmigen Stirnflächen auf. Diese Form ist insbesondere vorteilhaft im Hinblick auf ein Verhältnis zwischen der Wärmeübertragungsfläche und dem Volumen der Kapsel.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung ist das Volumen des Materials der unteren und oberen Halbschale weniger als 35%, vorzugsweise weniger als 25% des Gesamtvolumens der Kapsel.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung beträgt das Unterteil ungefähr zwei Drittel der Höhe der Kapsel und das Oberteil ungefähr ein Drittel der Höhe der Kapsel.
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Kapsel zur Aufnahme eines Phasenwechselmaterials mit einer unteren Halbschale und einer oberen Halbschale, welche das Phasenwechselmaterial komplett umgeben.
Die vorliegende Erfindung beruht auf dem Gedanken, einen Warmwasserspeicher vorzusehen, wobei Kapseln mit einem Phasenwechselmaterial in einem Warmwasserspeicher vorgesehen sind. Die Kapselung des Phasenwechselmaterials kann beispielsweise aus einem Unterteil und einem Oberteil bestehen, welche miteinander verbunden werden, wenn ein Phasenmaterial im Inneren der Kapsel platziert worden ist. Dazu kann sowohl das Unterteil als auch das Oberteil einen umlaufenden Vorsprung aufweisen, wobei die Vorsprünge des Unterteils und des Oberteils mittels einer Naht miteinander verschweißt werden.
Vorzugsweise kann die Kapsel durch ein Hohlkörperumspritz-Verfahren hergestellt werden. Optional wird die Kapsel in einer Stäbchenform hergestellt, d. h. die Höhe der Form ist wesentlich größer als der Durchmesser der Form. Dies ist insbesondere vorteilhaft, um ein großes Verhältnis von Wärmeübertragungsfläche zum Volumen vorzusehen.
Optional kann Silikon als Material für die Kapsel verwendet werden.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Vorteile und Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachstehend unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.
1 zeigt eine perspektivische Schnittansicht einer Kapsel gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel,
2 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Kapsel gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
3 zeigt eine weitere perspektivische Schnittansicht der Kapsel gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel,
4 zeigt eine Schnittansicht eines Ausschnitts der Kapselung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel, und
5 zeigt eine Schnittansicht einer Kapselung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel.
1 zeigt eine perspektivische Schnittansicht einer Kapselung gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel. Die Kapselung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel dient zur Aufnahme von Phasenwechselmaterial und kann in einer Warmwasserspeichervorrichtung verwendet werden.
Die Kapselung weist ein Unterteil 10, ein Oberteil 20 sowie ein Phasenwechselmaterial-Pellet 100 auf. Das Unterteil 10 und das Oberteil 20 umgeben den Phasenwechselmaterial-Pellet 100 komplett. Das Unterteil 10 und das Oberteil 20 sind jeweils als eine Halbschale ausgebildet. Die beiden Halbschalen weisen an ihren offenen Enden jeweils einen umlaufenden Vorsprung 11, 21 auf.
2 zeigt eine perspektivische Darstellung der Kapsel gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Kapsel 1 besteht somit aus einer unteren und einer oberen Halbschale 10, 20. Die Halbschalen weisen jeweils einen umlaufenden Vorsprung auf.
3 zeigt eine perspektivische Schnittansicht der Kapselung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. Die Kapsel 1 weist dabei eine untere Halbschale 10 und eine obere Halbschale 20 auf. Die untere und obere Halbschale 10, 20 umgeben das Phasenmaterial 100, welches vorzugsweise als ein Pellet ausgestaltet ist, komplett. Die Unterschale 10 und die Oberschale 20 weisen jeweils einen umlaufenden Vorsprung 11, 21 auf. Die beiden Halbschalen 10, 20 sind durch eine Naht 30 miteinander verbunden.
Eine Verkapselung des Phasenwechselmaterials bzw. des Latentspeichermaterials ist vorteilhaft insbesondere beim Einsatz in einem Warmwasserspeicher. Mittels der Verkapselung kann gewährleistet werden, dass kein Austrag von Latentspeichermaterial aus dem Speicher über die gesamte Betriebs- und Lebensdauer stattfinden kann.
4 zeigt eine Schnittansicht eines Ausschnitts der Kapselung gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel. In 4 ist ein Unterteil 10 mit einem umlaufenden Vorsprung 11, ein Oberteil 20 mit einem umlaufenden Vorsprung 21 sowie ein Pellet 100 aus einem Phasenwechselmaterial gezeigt. Die Unterschale 10 und die Oberschale 20 werden aufeinandergesetzt und es wird eine Naht 30 im Bereich der umlaufenden Vorsprünge 11, 21 vorgesehen, um die beiden Halbschalen 10, 20 miteinander zu verbinden bzw. zu verschweißen.
Die beiden Halbschalen 10, 20 können beispielsweise durch ein Hohlkörperumspritz-Verfahren hergestellt werden. Die beiden Halbschalen können in einem speziellen Drehteller-Werkzeug gefertigt werden. Anschließend wird eine Halbschale mithilfe des Drehtellers in ein Werkzeug umgesetzt und manuell oder automatisiert mit dem Pellet 100 bestückt. Gleichzeitig kann die andere Halbschale in das Werkzeugteil gegenüber gesteckt werden. Wenn das Werkzeug wieder geschlossen wird, dann werden die beiden Halbschalen aneinandergedrückt und können beispielsweise dauerhaft miteinander verbunden werden, indem Material an den Stoßkanten ein- bzw. angespritzt wird. Alternativ kann auch ein Verschweißen der Halbschalen erfolgen.
Somit können zwei Halbschalen mit einem Rand mit einem umlaufenden Vorsprung vorgesehen werden. Die Naht kann beispielsweise durch Einspritzen einer Schmelze vorgesehen werden, wobei das Material der Halbschalen im Bereich der Naht sich ebenfalls verflüssigen kann. Daher kann ein schlüssiger Verbund zwischen der Oberschale, der Unterschale und der Naht gewährleistet werden.
Die Kapseln können kugelförmig oder beispielsweise in Stäbchenform (d. h. die Höhe ist wesentlich größer als der Durchmesser) realisiert werden. Hierbei ist jedoch zu bedenken, dass eine Kugelform nicht vorteilhaft hinsichtlich des Verhältnisses der Wärmeübertragungsfläche zum Volumen ist. Die Kapsel kann beispielsweise eine zylindrische Grundform mit halbkugelförmigen Stirnflächen aufweisen.
Vorzugsweise beträgt das Volumen des Materials der Kapsel zum gesamten Volumen der Kapsel max. 35%, insbesondere 25%. Wenn von einer minimal produzierbaren Wandstärke von 0,8 mm ausgegangen wird, so können damit Innenabmessungen von einer Höhe von 25 mm und einem Durchmesser von 16 mm realisiert werden.
Das Pellet des Phasenwechselmaterials kann beispielsweise bereits gespritzt vorliegen, d. h. das Pellet wird in einer weiteren Maschine hergestellt. Das Pellet kann beispielsweise in eine untere Halbschale platziert werden. Anschließend kann die obere Halbschale aufgesetzt und mittels einer Verbindungsnaht mit der unteren Halbschale verbunden werden. Die Trennebene zwischen der oberen und der unteren Halbschale kann optional nicht mittig, sondern nach oben verschoben verlaufen, d. h. die obere Halbschale beträgt lediglich ein Drittel und die untere Halbschale beträgt zwei Drittel der Länge der Kapsel.
Die Pellets des Phasenwechselmaterials können beispielsweise in einer Spritzgießmaschine hergestellt werden. Bei einem Phasenwechsel kann eine Volumenausdehnung von 10% erfolgen. Somit kann Silikon als Hüllenmaterial verwendet werden. Dies ist vorteilhaft, da Silikon eine hohe Elastizität aufweist.
Wenn Paraffin als Phasenwechselmaterial verwendet wird und das Paraffin in einem Spritzgießprozess vorgeformt wird, so können sich Lunker im Zentrum ausbilden. Diese Lunker bzw. Hohlräume können beim Erstarren des Paraffins entstehen. Durch ein Wandern der Erstarrungsfront von Außen nach Ihnen kann sich im Zentrum aufgrund der Materialschwindung ein luftleerer Hohlraum ausbilden. Dieser luftleere Hohlraum kann als Ausdehnungsraum für das Phasenwech selmaterial beim Phasenübergang innerhalb der geschlossenen Kapsel dienen. Dies ist vorteilhaft, da auch bei einer Volumenausdehnung des Phasenwechselmaterials kein signifikanter Druck auf die Kunststoffhülle der Ober- und Unterschale ausgeübt wird. Lediglich durch die beim Schließen der Kapsel eingeschlossene Luft können Drücke auftauchen.
5 zeigt eine Schnittansicht einer Kapselung gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Kapselung besteht aus einem Umhüllungsmaterial 210 und umgibt das Phasenwechselmaterial 100. Alternativ zu Silikon als Umhülllungsmaterial können ebenfalls Epoxidharze oder ähnliche Polymerverbindungen verwendet werden.
Gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel ist die Kapselung kugelförmig ausgestaltet. Die Kapselung kann jedoch alternativ dazu eine andere Form wie beispielsweise einen zylindrischen Grundkörper mit zwei halbkreisförmigen Enden aufweisen.
Als Hülle für das Phasenwechselmaterial können Silikonkautschuke oder Silikone verwendet werden.
Um zu der Kapselung gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel zu gelangen, kann beispielsweise eine vorgeformte Kugel (oder eine andere Form) aus einem PCM-Material wie beispielsweise Paraffin mit einer Kapselung aus Umhüllungsmaterial versehen werden. Zur Fertigung der Kapselung kann ein vorgesehener Hohlraum in einem ersten Formwerkzeug beispielsweise teilweise mit Silikon gefüllt werden. Anschließend können die vorgeformten PCM-Kugeln in das Silikon in einer Ausnehmung in dem ersten Formwerkzeug hineingedrückt werden. Danach kann ein zweites Formwerkzeug mit entsprechend ausgeformten Ausnehmungen auf das erste Formwerkzeug platziert werden. Diese Ausnehmungen vorzugsweise des zweiten Werkzeugs sind zumindest teilweise mit Silikon gefüllt. Durch Ausübung eines Anpressdruckes zwischen dem ersten und zweiten Formwerkzeug kann das Silikon im ersten und zweiten Formwerkzeug verteilt werden, so dass die PCM-Kugel komplett mit Silikon umgeben wird.
Gemäß einem Verfahren zur Herstellung einer Kapsel mit einem umschlossenen Phasenwechselmaterial 100 wird demanch ein Hohlraum in einem ersten Formwerkzeug mit einem Umhüllungsmaterial 210 zumindest teilweise gefüllt und ein vorgeformter PCM-Körper in das Umhüllungsmaterial 210 in einer Ausnehmung in dem ersten Formwerkzeug hineingedrückt. Eine Ausnehmung eines zweiten Formwerkzeugs mit entsprechend ausgeformten Ausnehmungen wird dann mit dem Umhüllungsmaterial zumindest teilweise gefüllt und das zweite Formwerkzeug auf das erste Formwerkzeug platziert. Durch Ausübung eines Anpressdruckes zwischen dem ersten und zweiten Formwerkzeug wird das Umhüllungsmaterial um den PCM-Körper verteilt, so dass der PCM-Körper komplett mit Umhüllungsmaterial umgeben ist. Zur Herstellung der Kapselung können beispielsweise zwei Werkzeuge verwendet werden. Das erste Werkzeug wird zur Herstellung des Pellets aus PCM-Material verwendet. Das zweite Werkstück besteht aus zwei Teilen, wobei die beiden Teile jeweils Ausnehmungen bzw. Kavitäten aufweisen. Diese werden zumindest teilweise mit Silikon aufgefüllt. Anschließend wird das vorgeformte Pellet in das Werkzeug hineingedrückt und mit dem zweiten Teil verschlossen. Somit kann erreicht werden, dass das Silikon komplett das Pellet umgibt. Nach einer Aushärtphase kann das Pellet entformt werden.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung kann die PCM-Kapsel bzw. die Silikonumschließung gegossen werden. Dazu können beispielsweise die PCM-Kugeln in Ausnehmungen eines ersten Formwerkzeugs platziert werden. Ein zweites Formwerkzeug weist entsprechende Ausnehmungen auf. Die beiden Formwerkzeuge können miteinander verbunden werden und Silikon oder dergleichen kann in die Ausnehmungen gegossen werden, um die sich darin befindlichen PCM-Kugeln komplett zu umschließen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102006059533 A1 [0003]
- DE 102007010104 A1 [0004]

Claims

Warmwasserspeichervorrichtung, mit einer Mehrzahl von Kapseln zur Aufnahme eines Phasenwechselmaterials (100), wobei die Kapseln eine untere Halbschale (10) und eine obere Halbschale (20) aufweisen, welche das Phasenwechselmaterial (100) komplett umgeben, wobei die obere und untere Halbschale (10, 20) durch ein Umspritzen miteinander verbunden werden.
Warmwasserspeichervorrichtung nach Anspruch 1, wobei die untere und obere Halbschale (10, 20) jeweils an ihren Stoßkanten einen umlaufenden Vorsprung (11, 21) aufweist, wobei die Vorsprünge (11, 21) durch eine Naht (30) miteinander verbunden werden.
Warmwasserspeichervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Kapsel eine zylindrische Grundform mit halbkugelförmigen Stirnflächen aufweist.
Warmwasserspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Volumen des Materials der unteren und der oberen Halbschale (10, 20) weniger als 35% des Gesamtvolumens der Kapsel beträgt.
Warmwasserspeichervorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei das Unterteil (10) ungefähr zwei Drittel der Höhe der Kapsel beträgt und das Oberteil (20) ungefähr ein Drittel der Höhe der Kapsel beträgt.
Kapsel zur Aufnahme eines Phasenwechselmaterials (100), mit einer unteren und einer oberen Halbschale (10, 20), welche das Phasenwechselmaterial (100) komplett umgeben.
Kapsel nach Anspruch 6, wobei die obere und untere Halbschale (10, 20) durch eine teilweise Umspritzung miteinander verbunden sind.
Warmwasserspeichervorrichtung, mit einer Mehrzahl von Kapseln zur Aufnahme eines Phasenwechselmaterials (100), wobei das Phasenwechselmaterial umhüllt ist, dadurch gekennzeichnet, dass Phasenwechselmaterial (100) von einer einteiligen Hülle umgeben ist.
Verfahren zur Herstellung einer Kapsel mit einem umschlossenen Phasenwechselmaterial, enthaltend den Verfahrensschritt, dass ein Hohlraum in einem ersten Formwerkzeug mit einem Umhüllungsmaterial (210) zumindest teilweise gefüllt wird, ein vorgeformter PCM-Körper in das Umhüllungsmaterial (210) in einer Ausnehmung in dem ersten Formwerkzeug hineingedrückt wird, eine Ausnehmung eines zweites Formwerkzeug mit entsprechend ausgeformten Ausnehmungen mit dem Umhüllungsmaterial (210) zumindest teilweise gefüllt wird, das zweite Formwerkzeug auf das erste Formwerkzeug platziert wird und durch Ausübung eines Anpressdruckes zwischen dem ersten und zweiten Formwerkzeug das Umhüllungsmaterial (210) um den PCM-Körper verteilt wird, so dass der PCM-Körper komplett mit Umhüllungsmaterial (210) umgeben ist.