DE102011054921A1

DE102011054921A1 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmespeicherelements, Wärmespeicherelement und Wärmespeichervorrichtung

Info

Publication number: DE102011054921A1
Application number: DE102011054921A
Authority: DE
Inventors: Thomas Bauer; Wolf-Dieter Steinmann
Original assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 2011-10-28
Filing date: 2011-10-28
Publication date: 2013-05-02
Anticipated expiration: 2031-10-29
Also published as: DE102011054921B4

Abstract

Um ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmespeicherelements zur Speicherung von sensibler Wärme zu schaffen, mittels welchem ein Wärmespeicherelement mit hoher Wärmespeicherkapazität und hoher Wärmeleitfähigkeit herstellbar ist, wird vorgeschlagen, dass ein Verbundmaterial aus Wärmespeichermaterial und Wärmeleitmaterial hergestellt wird, indem das Wärmespeichermaterial und das Wärmeleitmaterial miteinander verpresst und/oder miteinander vergossen werden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmespeicherelements zur Speicherung von sensibler Wärme.
Wärmespeicherelemente dienen der Speicherung von Wärme und können hierzu beispielsweise in einer Wärmespeichervorrichtung verwendet werden, wobei der Wärmespeichervorrichtung beispielsweise ein Wärmeübertragungsfluid zuführbar ist, mittels welchem dem Wärmespeicherelement Wärme zuführbar ist. Mittels des Wärmespeicherelements kann die Wärme aus dem Wärmeübertragungsfluid gespeichert werden. Durch die Zuführung eines kühlen Wärmeübertragungsfluids kann dann, insbesondere zu einem späteren Zeitpunkt, die in dem Wärmespeicherelement gespeicherte Wärme wieder entnommen werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren bereitzustellen, mittels welchem ein Wärmespeicherelement herstellbar ist, das eine hohe Wärmespeicherkapazität und zugleich eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Verbundmaterial aus Wärmespeichermaterial und Wärmeleitmaterial hergestellt wird, indem das Wärmespeichermaterial und das Wärmeleitmaterial miteinander verpresst und/oder miteinander vergossen werden.
Beispielsweise kann hierbei vorgesehen sein, dass das Wärmespeichermaterial und das Wärmeleitmaterial zunächst zusammengebracht und dann gemeinsam verpresst werden.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Wärmespeichermaterial in eine durch das Wärmeleitmaterial gebildete Struktur gegossen wird.
Alternativ hierzu kann vorgesehen sein, dass das Wärmeleitmaterial in eine durch das Wärmespeichermaterial gebildete Struktur gegossen wird.
Günstig kann es ferner sein, wenn das Wärmespeichermaterial und das Wärmeleitmaterial zusammen in eine vorgegebene Struktur gegossen werden.
Dadurch, dass bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ein Wärmespeichermaterial und ein Wärmeleitmaterial zu einem Verbundmaterial verbunden werden, kann ein Wärmespeicherelement mit hoher Wärmespeicherkapazität und zugleich hoher Wärmeleitfähigkeit hergestellt werden.
Vorzugsweise wird mindestens eine Fluiddurchführung für ein Wärmeübertragungsfluid in dem Wärmespeichermaterial und dem Wärmeleitmaterial, insbesondere in dem Verbundmaterial aus Wärmespeichermaterial und Wärmeleitmaterial, erstellt. Hierdurch ist ein effizienter Wärmeübertrag von einem durch die Fluiddurchführung geführten Wärmeübertragungsfluid auf das Wärmespeichermaterial möglich.
Insbesondere dann, wenn eine Wandung mindestens einer Fluiddurchführung mit dem Wärmeleitmaterial verbunden wird, so dass das Wärmeleitmaterial zusammen mit der mindestens einen Fluiddurchführung eine zusammenhängende Struktur bildet, kann die mittels des Wärmeübertragungsfluids dem Wärmespeicherelement zugeführte Wärme nicht nur effizient im Umgebungsbereich der Fluiddurchführung, sondern über die gesamte zusammenhängende Struktur hinweg verteilt und somit gezielt und effizient dem Wärmespeichermaterial zugeführt werden.
Unter einer zusammenhängenden Struktur ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere eine Struktur derart zu verstehen, dass die Wandung mindestens einer Fluiddurchführung mit dem Wärmeleitmaterial, insbesondere mit einem Großteil des Wärmeleitmaterials, eine Struktur bildet, welche eine im Wesentlichen unterbrechungsfreie Wärmeübertragung entlang der gebildeten Struktur, insbesondere in sämtliche Bereiche des Wärmespeicherelements, ermöglicht.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Verhältnis zwischen der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitmaterials und der Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials mindestens ungefähr 10 beträgt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis zwischen der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitmaterials und der Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials mindestens ungefähr 20, beispielsweise mindestens ungefähr 100, beträgt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis zwischen der spezifischen Wärmekapazität des Wärmeleitmaterials und der spezifischen Wärmekapazität des Wärmespeichermaterials höchstens ungefähr 1 beträgt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis zwischen der spezifischen Wärmekapazität das Wärmeleitmaterials und der spezifischen Wärmekapazität des Wärmespeichermaterials höchstens ungefähr 0,75, beispielsweise höchstens ungefähr 0,5, beträgt.
Günstig kann es sein, wenn das Verhältnis zwischen der thermischen Masse des Wärmeleitmaterials und der thermischen Masse des Wärmespeichermaterials höchstens ungefähr 0,5 beträgt. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Verhältnis zwischen der thermischen Masse des Wärmeleitmaterials und der thermischen Masse des Wärmespeichermaterials höchstens ungefähr 0,25, beispielsweise höchstens ungefähr 0,1, beträgt. Die thermische Masse ist dabei das Produkt aus der Masse und der spezifischen Wärmekapazität.
Das Verbinden einer Wandung mindestens einer Fluiddurchführung mit dem Wärmeleitmaterial kann beispielsweise mittels einer reibschlüssigen Verbindung, einer kraftschlüssigen Verbindung und/oder einer stoffschlüssigen Verbindung erfolgen. Insbesondere kann hierbei eine thermische Behandlung, ein Pressvorgang und/oder ein Vergießvorgang zur Herstellung der Verbindung zwischen der Wandung der mindestens einen Fluiddurchführung und dem Wärmeleitmaterial vorgesehen sein.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass mindestens eine Wandung mindestens einer Fluiddurchführung beim Verbinden des Wärmespeichermaterials und des Wärmeleitmaterials zu dem Verbundmaterial erstellt wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Wandung für mindestens eine Fluiddurchführung aus dem Wärmeleitmaterial gebildet wird.
Vorteilhaft kann es sein, wenn zwischen mindestens einer Wandung mindestens einer Fluiddurchführung und dem Wärmeleitmaterial ein direkter Kontakt besteht. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Wärmeleitmaterial und mindestens eine Wandung mindestens einer Fluiddurchführung zur Erzeugung der zusammenhängenden Struktur einstückig ausgebildet oder stoffschlüssig miteinander verbunden werden.
Günstig kann es sein, wenn das Wärmespeichermaterial und das Wärmeleitmaterial zusammengebracht werden, bevor mindestens eine Fluiddurchführung erstellt wird.
Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass das Wärmespeichermaterial und das Wärmeleitmaterial zu einem Verbundmaterial verbunden werden und anschließend eine Fluiddurchführung für ein Wärmeübertragungsfluid in dem Verbundmaterial angeordnet wird. Beispielsweise kann hierbei vorgesehen sein, dass das Verbundmaterial mit mindestens einer Bohrung zur Aufnahme mindestens eines Leitungselements mindestens einer Fluiddurchführung versehen wird. Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass das Verbundmaterial mit mindestens einer Bohrung versehen wird, welche die Fluiddurchführung bildet.
Vorteilhaft kann es sein, wenn das Wärmespeichermaterial und das Wärmeleitmaterial so zusammengebracht werden, dass mindestens eine Fluiddurchführung gebildet wird. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass das Wärmespeichermaterial und das Wärmeleitmaterial in einer Form zusammengebracht werden, in und/oder mittels welcher zugleich das Verbundmaterial aus dem Wärmespeichermaterial und dem Wärmeleitmaterial und mindestens eine Fluiddurchführung herstellbar sind.
Günstig kann es sein, wenn eine Schichtstruktur aus Wärmespeichermaterial und/oder aus Wärmeleitmaterial erzeugt wird. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass Schichten aus Wärmespeichermaterial und Schichten aus Wärmeleitmaterial alternierend angeordnet werden. Insbesondere kann hierbei vorgesehen sein, dass auf eine Schicht aus einem Wärmespeichermaterial eine Schicht aus einem Wärmeleitmaterial und darauf wieder eine Schicht aus einem Wärmespeichermaterial usw. folgt.
Zur Erzeugung einer Schichtstruktur werden vorzugsweise vorgeformte und/oder vorgefertigte Schichten aus Wärmespeichermaterial und/oder aus Wärmeleitmaterial verwendet.
Alternativ oder ergänzend hierzu kann vorgesehen sein, dass zur Erzeugung der Schichtstruktur Schichten aus pulverförmigem, rieselfähigem und/oder fließfähigem Wärmespeichermaterial und/oder aus pulverförmigem, rieselfähigem und/oder fließfähigem Wärmeleitmaterial erzeugt werden.
Als Wärmeleitmaterial kann insbesondere ein Blech vorgesehen sein. Beispielsweise kann ein plattenförmiges Material als Wärmeleitmaterial vorgesehen sein. Ferner kann das Wärmeleitmaterial als eine Folie, als ein Draht, als ein Drahtgeflecht, als eine verpresste Schüttung, insbesondere verpresstes Graphit, beispielsweise verpresstes Naturgraphit oder verpresstes Graphitexpandat, ausgebildet sein.
Als Wärmeleitmaterial kann insbesondere Graphitfolie und/oder eine Graphitplatte verwendet werden.
Ferner eignen sich als Wärmeleitmaterialien Zink, Aluminium, Magnesium, Kupfer, Silizium und/oder Legierungen einer oder mehrerer dieser Stoffe, wobei das Wärmeleitmaterial vorzugsweise als Blech, als Folie, als Schaum und/oder in vergossener Form vorliegt.
Als Wärmespeichermaterial können, insbesondere hochschmelzende, Salze oder Salzmischungen, beispielsweise Alkalisulfate (z.B. Na₂SO₄), Alakalichloride (NaCl), Karbonate, Bromide, Fluoride, Nitrate, Nitrite und Hydroxide verwendet werden.
Ferner kann als Wärmespeichermaterial ein Material verwendet werden, welches zumindest vor der Erzeugung des Verbundmaterials ein fließfähiger Stoff (insbesondere eine Schlämme), vorzugsweise auf Wasserbasis, ist, welche aufheizbar ist, um insbesondere Wasser auszutreiben.
Vorteilhaft kann es sein, wenn ein Wassergehalt des Speichermaterials niedrig ist, so dass die Porosität des Wärmespeichermaterials nach einem Wasserverlust minimiert ist. Insbesondere kann dies bei einer Salzschlämme vorteilhaft sein.
Ferner eignen sich als Wärmespeichermaterialien Gestein, Beton, Schüttungen aus Basalt, Kies und/oder Sand und verpresster Sand.
Auch ein keramisches Material kann als Wärmespeichermaterial verwendet werden.
Vorzugsweise weist das Wärmespeichermaterial eine Fest-Fest-Umwandlung auf (beispielsweise Na₂SO₄), wodurch die Wärmespeicherkapazität des Wärmespeicherelements erhöht werden kann.
Vorteilhaft kann es sein, wenn als Wärmeleitmaterial Aluminium und als Wärmespeichermaterial Salz verwendet wird. So kann insbesondere vorgesehen sein, dass Aluminium in die vorzugsweise poröse Salzstruktur gegossen wird, um das Verbundmaterial aus Wärmespeichermaterial und Wärmeleitmaterial herzustellen.
Insbesondere wird mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens ein sensibles Verbundmaterial mit einer erhöhten Wärmeleitfähigkeit bis mindestens ungefähr 400 °C, insbesondere bis mindestens ungefähr 500 °C, bereitgestellt.
Mittels des Wärmespeicherelements kann vorzugsweise Wärme in einem Temperaturbereich zwischen mindestens ungefähr 150 °C, insbesondere mindestens ungefähr 250 °C, beispielsweise mindestens ungefähr 350 °C, und höchstens ungefähr 600 °C, insbesondere höchstens ungefähr 500 °C, beispielsweise höchstens ungefähr 400 °C, gespeichert werden.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbinden des Wärmespeichermaterials und des Wärmeleitmaterials zu einem Verbundmaterial durch Erhitzen und/oder durch eine chemische und/oder physikalische Reaktion des Wärmespeichermaterials und/oder des Wärmeleitmaterials unterstützt wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass eine chemische Reaktion oder eine physikalische Reaktion, beispielsweise eine Hydratationsreaktion, zur Ausbildung des Verbundmaterials aus Wärmespeichermaterial und Wärmeleitmaterial beiträgt oder zur Ausbildung des Verbundmaterials aus Wärmespeichermaterial und Wärmeleitmaterial führt.
Ferner kann vorgesehen sein, dass das Wärmespeichermaterial und/oder das Wärmeleitmaterial zur Ausbildung des Verbundmaterials gesintert und/oder getempert werden.
Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass durch Sintern und/oder Tempern einer Mischung aus Salz und einem keramischen Material ein Verbundmaterial hergestellt wird.
Ein Pressen des Wärmeleitmaterials und des Wärmespeichermaterials erfolgt vorzugsweise mit Zusatzstoffen. So kann beispielsweise Wasser als Zusatzstoff für Salze vorgesehen sein. Ferner können Salze, welche das Wärmespeichermaterial und/oder das Wärmeleitmaterial bilden, mit mindestens einem anderen Salz als Zusatzstoff zum Erleichtern und/oder Optimieren eines Pressvorgangs versetzt werden.
Vorzugsweise weist das Wärmespeichermaterial und/oder das Wärmeleitmaterial eine feine Körnung auf. Auf diese Weise kann ein Pressvorgang erleichtert und optimiert werden.
Günstig kann es sein, wenn zum Verpressen des Wärmespeichermaterials und/oder des Wärmeleitmaterials ein Füllmaterial (beispielsweise Wachs oder Sand) verwendet wird, welches nach Herstellung des Verbundmaterials wieder entfernt werden kann.
Grundsätzlich kann auch das Wärmespeichermaterial und/oder das Wärmeleitmaterial separat von dem jeweils anderen Material gepresst, vergossen, erhitzt und/oder mittels einer chemischen und/oder physikalischen Reaktion umgewandelt werden, um ein Zwischenprodukt zur Erzeugung des Verbundmaterials aus Wärmespeichermaterial und Wärmeleitmaterial herzustellen.
So kann insbesondere vorgesehen sein, dass plattenförmige Elemente aus Wärmespeichermaterial und/oder aus Wärmeleitmaterial hergestellt werden, welche anschließend gestapelt und zur Herstellung des Verbundmaterials beispielsweise gepresst werden.
Günstig kann es sein, wenn das Wärmespeichermaterial und das Wärmeleitmaterial so gewählt werden, dass das Wärmespeichermaterial während des Zusammenführens und/oder während des Verbindens desselben mit dem Wärmeleitmaterial und/oder während des Betriebs des Wärmespeicherelements chemisch nicht mit dem Wärmeleitmaterial reagiert. Auf diese Weise kann ein Wärmespeicherelement hergestellt werden, welches über einen langen Zeitraum ohne Beeinträchtigung der Wärmespeicherkapazität und/oder der Wärmeleitfähigkeit verwendbar ist.
Vorzugsweise wird das Wärmeleitmaterial im Wärmespeichermaterial vernetzt. Auf diese Weise kann eine zusammenhängende Struktur mit guten Wärmeleiteigenschaften ausgebildet werden.
Unter einem vernetzten Wärmeleitmaterial ist in dieser Beschreibung und den beigefügten Ansprüchen insbesondere ein Wärmeleitmaterial zu verstehen, welches eine mehrfach zusammenhängende Struktur bildet, so dass Wärme entlang vieler verschiedener Pfade mittels des Wärmeleitmaterials innerhalb des Wärmeleitelements übertragbar ist.
Grundsätzlich ist unter einem Vernetzen des Wärmeleitmaterials das Herstellen mindestens eines Kontakts zwischen den wärmeleitenden Elementen oder Teilchen, welche das Wärmeleitmaterial umfasst, zu verstehen.
Bei einer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Verbundmaterial mit einer Umhüllung versehen wird.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass das Verbundmaterial mit einer Schutzhülle versehen wird. Vorteilhaft kann es hierbei sein, eine Schutzatmosphäre für das Verbundmaterial bereitzustellen, welche insbesondere von der Schutzhülle in Position gehalten wird. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass Stickstoff als Schutzatmosphäre für das Verbundmaterial verwendet wird. Auf diese Weise kann eine unerwünschte Oxidation von Wärmespeichermaterial und/oder Wärmeleitmaterial durch Luftsauerstoff bei hohen Temperaturen, beispielsweise die Oxidation von Graphit bei Temperaturen oberhalb von ungefähr 350 °C, verhindert werden.
Zum Verbinden des Wärmespeichermaterials und des Wärmeleitmaterials zu dem Verbundmaterial wird vorzugsweise ein formgebendes Werkzeug verwendet.
Insbesondere kann vorgesehen sein, dass mittels des formgebenden Werkzeugs vor, während und/oder nach dem Verbinden des Wärmespeichermaterials und des Wärmeleitmaterials zu dem Verbundmaterial mindestens eine Fluiddurchführung für ein Wärmeübertragungsfluid erstellt wird.
So kann beispielsweise vorgesehen sein, dass ein Presswerkzeug mit mindestens einem Dorn zur Erzeugung einer beispielsweise zylindrischen Aussparung in dem Wärmeleitmaterial und/oder in dem Wärmespeichermaterial, insbesondere in dem Verbundmaterial, verwendet wird. Auf diese Weise kann eine Fluiddurchführung besonders einfach hergestellt werden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die weitere Aufgabe zugrunde, ein Wärmespeicherelement zur Speicherung von sensibler Wärme bereitzustellen, welches eine hohe Wärmespeicherdichte und eine hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Wärmespeicherelement ein Verbundmaterial aus Wärmespeichermaterial und Wärmeleitmaterial umfasst und nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist.
Das erfindungsgemäße Wärmespeicherelement weist vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Das erfindungsgemäße Wärmespeicherelement eignet sich insbesondere zur Verwendung in einer Wärmespeichervorrichtung, welche mindestens ein erfindungsgemäßes Wärmespeicherelement umfasst.
Die erfindungsgemäße Wärmespeichervorrichtung weist vorzugsweise die vorstehend im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Wärmespeicherelement und/oder dem erfindungsgemäßen Verfahren beschriebenen Merkmale und/oder Vorteile auf.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass ein einzelnes Wärmespeicherelement als eine Speichervorrichtung zur Speicherung von Wärme nutzbar ist.
Vorteilhaft kann es jedoch sein, mehrere Wärmespeicherelemente zusammenzufügen, so dass eine Wärmespeichervorrichtung mit einer Vielzahl von Wärmespeicherelementen gebildet ist. Insbesondere kann hierdurch ein modularer Aufbau einer Wärmespeichervorrichtung ermöglicht werden.
So kann insbesondere durch die Hinzufügung und/oder Entfernung einzelner Wärmespeicherelemente eine Anpassung der Wärmespeicherkapazität der Wärmespeichervorrichtung an die Anforderungen vorgegebener Einzelfälle erfolgen.
Weitere Merkmale und/oder Vorteile der Erfindung sind Gegenstand der nachfolgenden Beschreibung und der zeichnerischen Darstellung von Ausführungsbeispielen.
In den Zeichnungen zeigen:
1 einen schematischen vertikalen Schnitt durch eine Pressform einer Pressvorrichtung, wobei die Pressform mit einer Schicht aus einem Wärmespeichermaterial gefüllt ist und ein plattenförmiges Wärmeleitmaterial zur Anordnung auf der Schicht aus Wärmespeichermaterial vorgesehen ist;
2 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung der Pressvorrichtung aus 1, wobei jeweils vier Schichten aus Wärmespeichermaterial und Wärmeleitmaterial in der Pressform vorgesehen und mittels eines Pressstempels der Pressvorrichtung gepresst wurden, so dass ein Wärmespeicherelement gebildet ist;
3 einen schematischen vertikalen Schnitt durch das Wärmespeicherelement aus 2, wobei eine Bohrung in dem Wärmespeicherelement zur Durchführung eines Wärmeübertragungsfluids vorgesehen ist;
4 eine schematische perspektivische Darstellung von vier Wärmespeicherelementen gemäß 3, wobei die Bohrungen in den Wärmespeicherelementen mit Leitungselementen einer Fluiddurchführung versehen sind;
5 eine der 1 entsprechende schematische Darstellung der Pressform, wobei zur Herstellung einer zweiten Ausführungsform eines Wärmespeicherelements pulverförmiges Wärmespeichermaterial und pulverförmiges Wärmeleitmaterial in der Pressform aufgeschichtet sind;
6 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung einer Pressvorrichtung, wobei eine Schicht aus Wärmespeichermaterial mittels der Pressvorrichtung gepresst wird;
7 eine schematische perspektivische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Wärmespeicherelements, wobei gepresste Schichten aus Wärmespeichermaterial und Platten aus Wärmeleitmaterial alternierend vorgesehen sind, welche mit einem Füllmaterial vergossen werden;
8 eine der 2 entsprechende schematische Darstellung einer Pressvorrichtung, wobei eine Schüttung aus Wärmeleitmaterial und Wärmespeichermaterial zusammen mit einem Leitungselement einer Fluiddurchführung in der Pressvorrichtung zur Herstellung einer vierten Ausführungsform eines Wärmespeicherelements gepresst werden; und
9 eine der 7 entsprechende schematische perspektivische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines Wärmespeicherelements, welches durch Ausgießen einer alternierenden Anordnung von verpressten Salzformteilen und Aluminiumrippen mit einer Salzschlämme hergestellt wird.
Gleiche oder funktional äquivalente Elemente sind in sämtlichen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Eine in den 1, 2, 5, 6 und 8 dargestellte, als Ganzes mit 100 bezeichnete Pressvorrichtung umfasst eine Pressform 102 und eine Pressstempel 104.
Die Pressform 102 der Pressvorrichtung 100 ist beispielsweise im Wesentlichen quaderförmig ausgebildet und bezüglich der Schwerkraftrichtung nach oben hin geöffnet.
Die Pressform 102 umfasst einen im Wesentlichen quaderförmigen Innenraum 106 und dient der Aufnahme von zu pressendem Material.
Der Pressstempel 104 ist beispielsweise ebenfalls quaderförmig und hinsichtlich seiner Ausmaße im Wesentlichen komplementär zu dem Innenraum 106 ausgebildet, so dass der Pressstempel 104 im Wesentlichen spielfrei in den Innenraum 106 eingeführt werden kann.
Mittels des Pressstempels 104 kann somit ein in dem Innenraum 106 der Pressform 102 angeordnetes Material gepresst werden.
Mittels der Pressvorrichtung 100 kann insbesondere ein Wärmespeicherelement 108 zur Speicherung von sensibler Wärme gebildet werden.
Wie der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform eines Wärmespeicherelements 108 zu entnehmen ist, kann das Wärmespeicherelement 108 beispielsweise durch teilweises Füllen des Innenraums 106 der Pressform 102 mit einem beispielsweise pulverförmigen Wärmespeichermaterial 110 erfolgen. In dem Innenraum 106 der Pressform 102 wird somit eine Schicht 112 oder eine Lage 114 eines Wärmespeichermaterials 110, beispielsweise Natriumchlorid, gebildet.
Auf diese Schicht 112 oder Lage 114 aus Wärmespeichermaterial 110 wird dann beispielsweise ein plattenförmiges Element aus Wärmeleitmaterial 116 gelegt. Das Wärmeleitmaterial 116 bildet somit eine weitere Schicht 112 oder eine weitere Lage 114 in dem Innenraum 106 der Pressform 102.
Nachfolgend wird auf eine Schicht 112 und auf eine Lage 114 vereinheitlichend als "Schicht 112" Bezug genommen. Hiervon umfasst sind sämtliche Anordnungen eines Materials, bei welchen die Ausdehnung in einer Raumrichtung höchstens ungefähr 30 %, insbesondere höchstens ungefähr 10 %, der Ausdehnung in den anderen beiden senkrecht zu der ersten Raumrichtung verlaufenden Raumrichtungen beträgt. Insbesondere sind dies somit im Wesentlichen plattenförmige, flache Gebilde aus Wärmespeichermaterial 110 oder Wärmeleitmaterial 116.
Wie insbesondere 2 zu entnehmen ist, werden zur Herstellung der ersten Ausführungsform des Wärmespeicherelements 108 abwechselnd Schichten 112 aus Wärmespeichermaterial 110, beispielsweise Natriumchlorid, und Schichten 112 aus Wärmeleitmaterial 116, beispielsweise Graphitfolien, übereinander geschichtet und anschließend mittels des Pressstempels 104 in der Pressform 102 gepresst.
Hierdurch wird ein Verbundmaterial 118 gebildet, welches die Basis für das Wärmespeicherelement 108 darstellt.
Die Stabilität des Verbundmaterials 118 kann dadurch erhöht werden, dass die Schicht 112 oder Lage 114 aus Wärmeleitmaterial 116 mit Durchtrittsöffnungen 117 versehen ist, so dass die benachbarten Schichten 112 oder Lagen 114 aus Wärmespeichermaterial 110 beim Pressvorgang auch unmittelbar miteinander verbunden werden.
Das Verbundmaterial 118 wird, wie 3 zu entnehmen ist, mit einer Bohrung 120 versehen, welche die Durchführung eines Wärmeübertragungsfluids durch das Wärmespeicherelement 108 ermöglicht.
Grundsätzlich kann vorgesehen sein, dass das Verbundmaterial 118 physikalisch und chemisch gegen das Wärmeübertragungsfluid resistent ist, so dass die Bohrung 120 selbst eine Fluiddurchführung 122 des Wärmespeicherelements 108 bilden kann.
Eine Wandung 124 der Bohrung 120, welche aus dem Verbundmaterial 118 besteht, bildet dann die Fluiddurchführung 122.
Wie 4 zu entnehmen ist, kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die Bohrung 120 mit einem Leitungselement 126 versehen wird, welches die Fluiddurchführung 122 bildet.
Das Leitungselement 126 ist dann insbesondere aus einem chemisch und physikalisch gegen das Wärmeübertragungsfluid resistenten Material gebildet.
Eine Wandung 128 des Leitungselements 126 dient der Übertragung der Wärme aus dem Wärmeübertragungsfluid zu dem Wärmespeichermaterial 110 und muss hierzu insbesondere mit dem Wärmeleitmaterial 116 in Kontakt stehen, so dass ein effizienter Wärmeübertrag über die gesamte Ausdehnung des Wärmespeicherelements 108 hinweg möglich ist.
Die Wandung 128 des Leitungselements 126 kann hierzu insbesondere reibschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig mit dem Wärmeleitmaterial 116, insbesondere mit sämtlichen Schichten 112 aus Wärmeleitmaterial 116 verbunden werden. Auf diese Weise kann eine zusammenhängende Struktur 136 gebildet werden, welche eine vorteilhafte Wärmeleitung innerhalb des Wärmespeicherelements 108 ermöglicht.
Wie 4 zu entnehmen ist, können mehrere, beispielsweise vier, Wärmespeicherelemente 108 gemäß der ersten Ausführungsform miteinander zu einer Wärmespeichervorrichtung 130 gekoppelt werden.
Die Wärmespeichervorrichtung 130 ist dann insbesondere modular ausgebildet, so dass zur Anpassung an bestimmte Anwendungen unterschiedliche Anzahlen von Wärmespeicherelementen 108 miteinander gekoppelt werden können und somit eine Wärmespeichervorrichtung 130 mit einer optimalen Wärmespeicherkapazität bereitgestellt werden kann.
Vorteilhaft kann es sein, wenn mindestens ein Wärmespeicherelement 108 und/oder die Wärmespeichervorrichtung 130 mit einer Umhüllung 138 versehen wird. Hierdurch kann das Wärmespeichermaterial 110 und/oder das Wärmeleitmaterial 116 geschützt werden. Insbesondere kann hierdurch eine (Stickstoff-)Schutzatmosphäre zur Vermeidung einer Oxidation der Materialien vorgesehen und erhalten werden.
Eine in 5 dargestellte zweite Ausführungsform eines Wärmespeicherelements 108 unterscheidet sich von der in 1 dargestellten ersten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass das Wärmeleitmaterial 116 nicht plattenförmig (als Folie) bereitgestellt wird, sondern dass auch das Wärmeleitmaterial 116 als Schüttung in den Innenraum 106 der Pressform 102 eingebracht wird.
Auf die geschütteten Schichten 112 aus Wärmespeichermaterial 110 werden bei der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform somit ebenfalls geschüttete Schichten 112 aus Wärmeleitmaterial 116 aufgebracht.
Im Übrigen stimmt die in 5 dargestellte zweite Ausführungsform hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 4 dargestellten vierten Ausführungsform eines Wärmespeicherelements 108 überein.
In den 6 und 7 ist eine dritte Ausführungsform eines Wärmespeicherelements 108 dargestellt.
Bei dieser Ausführungsform ist vorgesehen, dass mittels der Pressvorrichtung 100 zunächst einzelne Schichten 112 aus Wärmespeichermaterial 110 gepresst werden und anschließend ein Stapel aus Schichten 112 aus Wärmespeichermaterial 110 und aus Wärmeleitmaterial 116 erstellt wird.
Die Herstellung des Verbundmaterials 118 aus Wärmespeichermaterial 110 und aus Wärmeleitmaterial 116 wird bei der in den 6 und 7 dargestellten dritten Ausführungsform des Wärmespeicherelements 108 dadurch erzielt, dass die gestapelten Schichten 112 aus Wärmespeichermaterial 110 und aus Wärmeleitmaterial 116 mit einem zusätzlichen Füllmaterial 132, beispielsweise mit flüssigem Aluminium oder einer Aluminiumlegierung, vergossen werden.
Im Übrigen stimmt die in den 6 und 7 dargestellte dritte Ausführungsform des Wärmespeicherelements 108 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 1 bis 4 dargestellten ersten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 8 dargestellte vierte Ausführungsform eines Wärmespeicherelements 108 unterscheidet sich von der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass das Wärmespeichermaterial 110 und das Wärmeleitmaterial 116 nicht in Schichten, sondern in einer gemeinsamen, ungeordneten Schüttung angeordnet sind.
In zentraler Position ist dabei ein Leitungselement 126 vorgesehen, so dass durch ein Pressen der Kombination aus Wärmespeichermaterial 110, Wärmeleitmaterial 116 und des Leitungselements 126 mittels der Pressvorrichtung 100 das Wärmespeicherelement 108 zusammen mit der Fluiddurchführung 122 gebildet werden kann.
Alternativ hierzu kann anstelle des Leitungselements 126 ein Platzhalter zusammen mit dem Wärmespeichermaterial 110 und dem Wärmeleitmaterial 116 gepresst werden, welcher anschließend entfernt wird, so dass eine der Bohrung 120 entsprechende Ausnehmung für die Fluiddurchführung 122 zurückbleibt.
Im Übrigen stimmt die in 8 dargestellte vierte Ausführungsform des Wärmespeicherelements 108 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in 5 dargestellten zweiten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Eine in 9 dargestellte fünfte Ausführungsform eines Wärmespeicherelements 108 unterscheidet sich von der in den 6 und 7 dargestellten dritten Ausführungsform im Wesentlichen dadurch, dass die Schichten 112 aus Wärmeleitmaterial 116 als Aluminiumrippen 134 ausgebildet sind und dass als Füllmaterial 132 eine Salzschlämme verwendet wird.
Im Übrigen stimmt die in 9 dargestellte fünfte Ausführungsform des Wärmespeicherelements 108 hinsichtlich Aufbau und Funktion mit der in den 6 und 7 dargestellten dritten Ausführungsform überein, so dass auf deren vorstehende Beschreibung insoweit Bezug genommen wird.
Grundsätzlich ist bei sämtlichen in den 1 bis 9 dargestellten Ausführungsformen von Wärmespeicherelementen 108 vorgesehen, dass Wärmeleitmaterial 116 und Wärmespeichermaterial 110 miteinander verpresst und/oder vergossen werden, so dass ein Wärmespeicherelement 108 mit hoher Wärmespeicherkapazität und zugleich hoher Wärmeleitfähigkeit gebildet ist.
Bezugszeichenliste

100: Pressvorrichtung
102: Pressform
104: Pressstempel
106: Innenraum
108: Wärmespeicherelement
110: Wärmespeichermaterial
112: Schicht
114: Lage
116: Wärmeleitmaterial
117: Durchtrittsöffnungen
118: Verbundmaterial
120: Bohrung
122: Fluiddurchführung
124: Wandung
126: Leitungselement
128: Wandung
130: Wärmespeichervorrichtung
132: Füllmaterial
134: Aluminiumrippen
136: zusammenhängende Struktur
138: Umhüllung

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wärmespeicherelements (108) zur Speicherung von sensibler Wärme, wobei ein Verbundmaterial (118) aus Wärmespeichermaterial (110) und Wärmeleitmaterial (116) hergestellt wird, indem das Wärmespeichermaterial (110) und das Wärmeleitmaterial (116) miteinander verpresst und/oder miteinander vergossen werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Fluiddurchführung (122) für ein Wärmeübertragungsfluid erstellt und eine Wandung (128) mindestens einer Fluiddurchführung (122) mit dem Wärmeleitmaterial (116) derart verbunden wird, dass das Wärmeleitmaterial (116) zusammen mit der mindestens einen Fluiddurchführung (122) eine zusammenhängende Struktur (136) bildet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der Wärmeleitfähigkeit des Wärmeleitmaterials (116) und der Wärmeleitfähigkeit des Wärmespeichermaterials (110) mindestens ungefähr 10 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis zwischen der thermischen Masse des Wärmeleitmaterials (116) und der thermischen Masse des Wärmespeichermaterials (110) höchstens ungefähr 0,5 beträgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermaterial (110) und das Wärmeleitmaterial (116) zusammengebracht werden, bevor mindestens eine Fluiddurchführung (122) für ein Wärmeübertragungsfluid erstellt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermaterial (110) und das Wärmeleitmaterial (116) so zusammengebracht werden, dass mindestens eine Fluiddurchführung (122) für ein Wärmeübertragungsfluid gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schichtstruktur aus Wärmespeichermaterial (110) und/oder aus Wärmeleitmaterial (116) erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Schichten (112) aus Wärmespeichermaterial (110) und Schichten (112) aus Wärmeleitmaterial (116) alternierend angeordnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Schichtstruktur vorgeformte und/oder vorgefertigte Schichten (112) aus Wärmespeichermaterial (110) und/oder aus Wärmeleitmaterial (116) verwendet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erzeugung der Schichtstruktur Schichten (112) aus pulverförmigem, rieselfähigem und/oder fließfähigem Wärmespeichermaterial (110) und/oder aus pulverförmigem, rieselfähigem und/oder fließfähigem Wärmeleitmaterial (116) erzeugt werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbinden des Wärmespeichermaterials (110) und des Wärmeleitmaterials (116) zu einem Verbundmaterial (118) durch Erhitzen und/oder durch eine chemische und/oder physikalische Reaktion des Wärmespeichermaterials (110) und/oder des Wärmeleitmaterials (116) unterstützt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeichermaterial (110) und das Wärmeleitmaterial (116) so gewählt werden, dass das Wärmespeichermaterial (110) während des Zusammenführens und/oder während des Verbindens desselben mit dem Wärmeleitmaterial (116) und/oder während des Betriebs des Wärmespeicherelements (108) chemisch nicht mit dem Wärmeleitmaterial (116) reagiert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmeleitmaterial (116) im Wärmespeichermaterial (110) vernetzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial (118) mit einer Umhüllung (138) versehen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verbinden des Wärmespeichermaterials (110) und des Wärmeleitmaterials (116) zu dem Verbundmaterial (118) ein formgebendes Werkzeug (100) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass mittels des formgebenden Werkzeugs (100) vor, während und/oder nach dem Verbinden des Wärmespeichermaterials (110) und des Wärmeleitmaterials (116) zu dem Verbundmaterial (118) mindestens eine Fluiddurchführung (122) für ein Wärmeübertragungsfluid erstellt wird.
Wärmespeicherelement (108) zur Speicherung von sensibler Wärme, umfassend ein Verbundmaterial (118) aus Wärmespeichermaterial (110) und Wärmeleitmaterial (116), wobei das Wärmespeicherelement (108) nach einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 16 hergestellt ist.
Wärmespeichervorrichtung (130), umfassend mindestens ein Wärmespeicherelement (108) nach Anspruch 17.