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Die Erfindung betrifft Wärmespeicherelemente mit einem hohen Speichervermögen, hoher Wärmeleistung und insbesondere einem guten Ansprechverhalten, was die Aufnahme und Abgabe von Wärme betrifft. Diese Wärmespeicherelemente können auch als Latentwärmespeicherelemente bezeichnet werden.
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Dabei ist es häufig üblich, in solchen Speicherelementen ein Phasenwechselmedium einzusetzen, dessen Temperaturverhalten innerhalb eines Temperaturintervalls, in dem der Phasenwechsel, bevorzugt von der festen in die flüssige Phase oder umgekehrt, thermisch neben der Wärmekapazität mit genutzt werden kann.
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Solche Phasenwechselmedien, wie z. B. Wasser, Paraffine, Salzhydrate oder Salze weisen aber eine relativ geringe thermische Leitfähigkeit auf und es ist daher eine entsprechend geringe volumenbezogene Leistungsdichte zu verzeichnen, Die Phasenwechselmedien stellen einen thermischen Widerstand dar, der die erforderliche Zeit für eine Zu- und Abführung von Wärme oder ggf. auch Kälte verlängert. Dadurch sind die Volumina und besonders die „Schichtdicke” von in Wärmespeichern enthaltenen Phasenwechselmedien ebenfalls begrenzt. Um dem entgegen zu wirken können in den Speicherelementen Wärmeträgerkanäle oder Wärme leitende Elemente eingesetzt werden. Letztgenannte können dabei beispielweise eingebaute metallische Stege sein, die vom Phasenwechselmedium umgeben sind. Dies erhöht aber den Herstellungsaufwand und die Masse der Speicherelemente. Eine deutliche Verbesserung der thermischen Leitfähigkeit wird so nur mit einer Vielzahl solcher Elemente erreicht. Eine sehr große Oberfläche, die für die Übertragung von Wärme aber günstig ist, kann dadurch nicht erreicht werden.
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Dies berücksichtigend, ist in
DE 100 07 848 A1 vorgeschlagen worden, in einem Latentwärmespeicher einen offenporigen Metallschaum einzusetzen, dessen Poren mit Phasenwechselmedium gefüllt sind. Dabei soll die Wärmeleitfähigkeit durch den Metallschaum verbessert werden. Dies kann aber nur begrenzt erreicht werden, da ein Metallschaum üblicherweise isotropes Verhalten aufweist, also viele Eigenschaften und hierzu zählt auch die Wärmeleitung richtungsunabhängig sind. Dies bedeutet, dass eine Wärmeübertragung in alle Richtungen zumindest nahezu gleich erfolgt, da die Ausrichtung der Stege eines Metallschaumes in alle Richtungen erfolgt ist.
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Es ist außerdem bekannt, die thermische Leitfähigkeit von Phasenwechselmedien durch Zugabe von Stoffen mit erhöhter thermischer Leitfähigkeit zu verbessern. So kann einem Phasenwechselmedium Graphit mit einem Anteil von bis zu 15 Vol.-% zugegeben werden. Die Wärmeleitung wird dabei bei homogener Verteilung des jeweiligen Stoffs im Phasenwechselmedium ebenfalls in alle Richtungen gleichmäßig erreicht. Eine nichthomogene Verteilung führt aber zu undefinierten Verhältnissen, was die Richtungsabhängigkeit der thermischen Leitfähigkeit betrifft und führt beim Einsatz zu noch ungünstigeren Verhältnissen. Aus diesem Grunde sind begrenzte Volumina an Phasenwechselmedium nutzbar oder es müssen mehrere Kompartments für die gesonderte Aufnahme kleinerer Einzelvolumina vorgesehen werden. Dies führt zu einem erhöhten Herstellungsaufwand, bei einer trotzdem richtungsunabhängigen (isotropen) thermischen Leitfähigkeit.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, Wärmespeicherelemente zur Verfügung zu stellen, die ein verbessertes thermisches Leitvermögen und insbesondere ein verbessertes Ansprechverhalten bei der Aufnahme und Abgabe von Wärme aufweisen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einem Wärmespeicherelement, das die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung können mit in untergeordneten Ansprüchen bezeichneten Merkmalen realisiert werden.
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Ein erfindungsgemäßes Wärmespeicherelement ist so ausgebildet, dass durch ein fluiddicht geschlossenes Gehäuse mindestens eine rohrförmige Leitung geführt ist, die von einem Temperiermedium durchströmt ist. Im Raum innerhalb des Gehäuses und der/den rohrförmigen Leitungen) ist eine metallische offenporige Struktur angeordnet. In den Hohlräumen der offenporigen Struktur ist ein Phasenwechselmedium enthalten. Die offenporige Struktur ist aus miteinander versinterten metallischen Fasern gebildet. Die metallischen Fasern sind stoffschlüssig und/oder kraftschlüssig mit der Innenwand des Gehäuses und/oder der äußeren Oberfläche der rohrförmigen Leitung(en) verbunden.
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Die Abgabe von Wärme kann dabei von dem Temperiermedium über die Leitung(en) direkt an die metallischen Fasern erfolgen. Von dort erfolgt eine Wärmeleitung zum Phasenwechselmedium, über die mit diesem Medium in Kontakt stehenden Oberflächenbereiche der metallischen Fasern. Es kann auch eine Wärmeleitung unmittelbar über die metallischen Fasern zur Gehäusewand erfolgen, wobei die Ausrichtung der Fasern in diese Richtung mit wegen der guten thermischen Leitfähigkeit der metallischen Fasern entsprechend der Faserausrichtung ausgenutzt werden kann. Es besteht aber auch die Möglichkeit, dass eine Wärmeleitung lediglich zwischen Temperiermedium, der rohrförmigen Leitung, den Metallfasern und dem Phasenwechselmedium (PCM) erfolgt.
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Dementsprechend sollten die metallischen Fasern im Wesentlichen parallel zueinander und senkrecht zur Oberfläche der Innenwand des Gehäuses und/oder zur äußeren Oberfläche der rohrförmigen Leitung(en) ausgerichtet sein, so dass ein anisotropes Wärmeleitverhalten innerhalb der offenporigen Struktur erreicht ist. Selbstverständlich besteht auch die Möglichkeit der Richtungsumkehr, bei entsprechenden Temperaturen. So kann auch Umgebungswärme über die äußere Gehäusewand, die metallischen Fasern zum Phasenwechselmedium und zu der/den im Inneren der Gehäuses angeordneten rohrförmigen Leitungen und von dort zum Temperiermedium übertragen werden.
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Bei der Erfindung kann vorteilhaft die gute thermische Leitfähigkeit in Richtung der metallischen Fasern und die entsprechend große Oberfläche der Fasern, mit der die Fasern mit dem umgebenden Phasenwechselmedium in Kontakt stehen und über die Wärme auf das Phasenwechselmedium oder vom Phasenwechselmedium zu den Fasern in Abhängigkeit des jeweiligen Temperaturgradienten übertragen kann, ausgenutzt werden.
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Die stoffschlüssige Verbindung der Fasern kann durch Löten und/oder Sintern hergestellt werden. Dabei ist das Löten zu bevorzugen. In jedem Fall sollte jedoch möglichst eine Verbindung hergestellt werden, bei der kleine Flächen (z. B. Stirnflächen) der einzelnen Fasern mit der Gehäusewand oder einer Leitung verbunden sind.
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Wegen der guten thermischen Leitfähigkeit sollten die metallischen Fasern aus Aluminium, Kupfer, Eisen, Silber, Gold, Molybdän oder einer Legierung davon bestehen. Dabei kann die Werkstoffauswahl auch unter Berücksichtigung des Einsatztemperaturbereichs der Wärmespeicherelemente und den Eigenschaften des Phasenwechselmediums, was insbesondere die Korrosion betrifft, erfolgen.
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Aus fertigungstechnischer Sicht, kann es vorteilhaft sein, die offenporige Struktur aus mehreren in Reihe angeordneten oder übereinander gestapelten scheibenförmigen Elementen zu bilden. Dabei kann berücksichtigt werden, dass aus metallischen Fasern offenporige Strukturen mit einer unbegrenzten Dimensionierung und dabei definierten und/oder konstanten Verhältnissen nur schwer hergestellt werden können. Dies betrifft insbesondere Strukturen, die in einer Richtung eine sehr große Länge im Vergleich zu weiteren Richtungen aufweisen. Dabei spielt auch die Ausrichtung der Fasern eine Rolle. Sollen die Fasern nämlich nicht in die Richtung mit der größten Länge einer solchen Struktur ausgerichtet sein, was bei der Erfindung der bevorzugte Fall ist, gibt es erhebliche Probleme bei der Herstellung.
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Außerdem erschließt sich die Möglichkeit, scheibenförmige Elemente mit voneinander abweichender Porosität, die mit metallischen Fasern unterschiedlicher Dimensionierung und/oder aus unterschiedlichen Metallen gebildet sind, in das Gehäuse einzusetzen. Dadurch kann eine lokal differenzierte thermische Leitfähigkeit erreicht werden.
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Eine offenporige Struktur, unabhängig davon, ob sie einteilig oder aus mehreren scheibenförmigen Elementen gebildet ist, sollte in Bezug zum freien für die Aufnahme der offenporigen Struktur im Gehäuse zur Verfügung stehenden Volumen so dimensioniert sein, dass in Folge der thermischen Ausdehnung oder Verkleinerung keine Beeinträchtigung auftritt. Dies betrifft insbesondere das Ablösen der Fasern, bei einer niedrigen Temperatur.
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Günstig ist es jedoch, wenn die offenporige Struktur insgesamt und/oder scheibenförmige Elemente so innerhalb des Gehäuses aufgenommen sind, dass zwischen den metallischen Fasern und der Innenwand des Gehäuses und/oder der Außenwand der rohrförmigen Leitung(en) Druckkräfte wirken und eine kraftschlüssige Verbindung erfolgt ist. Dadurch kann erreicht werden, dass ein direkter Kontakt der Fasern mit der Gehäusewand und der Wand von rohrförmigen Leitungen dauerhaft beibehalten werden kann.
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Für eine besonders günstige richtungsabhängige thermische Leitfähigkeit können metallische Fasern bevorzugt ausgehend von der mittleren Längsachse einer rohrförmigen Leitung zur Innenwand des Gehäuses in radial nach außen weisender Richtung ausgerichtet sein. Bei einem rotationssymmetrischen Gehäuse könnte eine solche Ausrichtung als sternförmig bezeichnet werden. Der größte Teil der einzelnen Fasern sollte dabei so ausgerichtet sein, dass sie einer Geraden folgen, die den Weg zwischen der Außenwand einer rohrförmigen Leitung und der Innenwand des Gehäuses auf kürzestem Weg überbrücken.
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Hierfür kann bei der Herstellung so vorgegangen werden, dass Fasern auf eine temporäre Unterlage, die aus einer dünnen Folie oder einem Papier oder ähnlichen Material besteht, das bei der Sinterung ausgebrannt werden kann, mit einer geeigneten Schichtdicke aufgegeben werden. Eine solche temporäre Unterlage kann vorteilhaft lokal gezielt mit einem Bindemittel beschichtet sein, so dass einzelne Fasern entsprechend ausgerichtet fixiert werden können. Es besteht dabei die Möglichkeit eine Mehrzahl von Unterlagen in mehreren Ebenen, die parallel zueinander ausgerichtet sind, vorzusehen, zwischen denen dann die Fasern appliziert und ausgerichtet werden können. Unterlagen können dabei an der Ober- und Unterseite mit dem Bindemittel beschichtet sein. Das Bindemittel kann dabei linienförmig aufgetragen sein, wobei die Linien die Ausrichtung der Fasern vorgeben können.
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Bei der zur Sinterung führenden Wärmebehandlung werden die Fasern miteinander versintert und die Unterlagen rückstandsfrei entfernt.
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Eine mit den metallischen Fasern gebildete offenporige Struktur sollte eine Porosität im Bereich 50% bis 95% aufweisen. Dabei kann eine Auslegung unter Berücksichtigung einer verbesserten Wärmeleitfähigkeit oder einer höheren Nutzung des Potentials des Phasenwechselmediums erfolgen.
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Für die Herstellung können bevorzugt metallische Fasern eingesetzt werden, die mit dem an sich bekannten Schmelzextraktionsverfahren hergestellt worden sind. Sie sollten bevorzugt Außendurchmesser im Bereich 50 μm bis 500 μm aufweisen. Dabei können Porengrößen der offenporigen Struktur im Bereich 1 μm bis 1000 μm erhalten werden. Eine offenporige Struktur kann eine spezifische Oberfläche im Bereich 5000 m2/m3 bis 50000 m2/m3 aufweisen.
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Bei der Herstellung der offenporigen Struktur können metallische Fasern in mehreren Lagen übereinander in einzelnen Ebenen verteilt werden, so dass sie im Wesentlichen in den jeweiligen Ebenen, die parallel zueinander ausgerichtet sind, liegen. Nach Erreichen einer bestimmten Höhe kann dann eine Sinterung durchgeführt werden, die zur stoffschlüssigen Verbindung der metallischen Fasern führt.
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in einer Alternative können Fasern schichtweise in ein Gehäuse gegeben werden, in dem bereits mindestens eine rohrförmige Leitung vorhanden ist. Die Fasern werden dabei in den Zwischenraum zwischen der jeweiligen Leitung und der Innenwand des Gehäuses eingelegt und bilden eine lose Schüttung darin, Dann kann eine Wärmebehandlung, die zum Sintern zumindest der Fasern führt, durchgeführt werden. Bei günstiger Werkstoffauswahl für die Fasern, die Leitung und/oder das Gehäuse kann auch eine Versinterung von Fasern mit der Gehäuseinnenwand und/oder der Außenwand einer Leitung erreicht werden.
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In einer weiteren Alternative können die Fasern, wie bereits vorab erläutert übereinander ausgelegt werden, so dass eine Faserschicht mit einer bestimmten Höhe/Dicke erreicht ist. Dann kann eine Sinterung durchgeführt werden, die zu einem offenporigen Strukturelement führt. Ein Strukturelement kann dann, beispielsweise mittels Laserstrahlung in eine bestimmte geometrische Form gebracht werden, um scheibenförmige Elemente mit einer an das Gehäuse angepassten äußeren Randgeometrie zu erhalten. In scheibenförmigen Elementen können auch Durchbrechungen ausgebildet werden, durch die dann die rohrförmigen Leitungen geführt werden können. Die scheibenförmigen Elemente können dann in gestapelter Form im Gehäuse angeordnet werden, wobei sich nebeneinander angeordnete scheibenförmige Elemente berühren können. Es besteht aber auch die Möglichkeit zwischen nebeneinander angeordneten scheibenförmigen Elementen Freiräume zu lassen, so dass dort Hohlräume vorhanden sind, die ausschließlich mit Phasenwechselmedium ausgefüllt sind. Hierfür können zwischen schiebenförmigen Elementen Abstandshalter angeordnet sein.
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Durchbrechungen in scheibenförmigen Elementen und/oder der äußere Rand können so dimensioniert sein, dass in in das Gehäuse eingesetzter Position eine Presspassung erreicht wird und auf die offenporige Struktur Druckkräfte wirken. Dieser Effekt kann bei einer Durchbrechung auch durch eine nachträgliche Aufweitung einer in scheibenförmige Elemente oder durch eine offenporige Struktur hindurch geführten rohrförmigen Leitung, die zu einer Vergrößerung des Außendurchmessers oder der äußeren Abmessungen bei nicht rotationssymmetrischer Ausbildung führt, erreicht werden.
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Wie bereits angesprochen, können die Fasern vorteilhaft durch Löten stoffschlüssig mit der Gehäuseinnenwand und/oder der Außenwand rohrförmiger Leitungen verbunden werden. Dabei kann eine Gehäuseinnenwand und oder die äußere Mantelfläche mit einem geeigneten Lot beschichtet sein, bevor die offenporige Struktur oder scheibenförmige Elemente, die die offenporige Struktur bilden können, in das Gehäuse eingeführt worden ist/sind.
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Bei einer Erwärmung, die ggf. induktiv erreicht werden kann, kann dann eine punktuelle Lötverbindung von Fasern mit der Oberfläche der Gehäuseinnenwand und/oder der Leitungsaußenwand erreicht werden.
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Bei einem erfindungsgemäßen Wärmespeicherelement kann eine rohrförmige Leitung auch mehrfach durch das Gehäuse und die offenporige Struktur geführt werden, wobei sich dann die Strömungsrichtung des Temperiermediums entsprechend verändern kann. Eine Leitung kann so quasi mäanderförmig hin und her durch das Gehäuse geführt werden.
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An der Außenwand des Gehäuses kann eine thermische Isolation vorhanden sein, um eine Kälte- oder Wärmeabgabe an die Umgebung zu behindern. In diesem Fall kann Wärme oder Kälte im Wesentlichen nur über das Temperiermedium zu- oder abgeführt werden.
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Als Temperiermedium kann beispielsweise Wasser, Thermoöl, Gase oder im Extremfall sogar flüssige Metalle eingesetzt werden.
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An Stelle eines Phasenwechselmediums kann auch ein Material eingesetzt werden, mit dem ein gleicher Effekt durch eine temperaturspezifische chemische oder physikochemische Reaktion erreicht werden kann. Dies kann beispielsweise Zeolith, Silicagel oder ein Metallhydrid sein.
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Mit der Erfindung kann gegenüber dem Stand der Technik eine erhöhte Wärmeübertragungsleistung, bei verkleinertem Verlust an Speichervolumen mit maximalem Wärmetransport vom eigentlichen Speichermaterial (PCM) zum Temperiermedium (Wärmeträgerfluid) erreicht werden. Es ist eine dauerhafte Auskopplung sehr hoher Wärmeleistungen aus dem Speichermedium (PCM) möglich. Das eigentliche Speichermedium (PCM) weist dabei eine höhere Wärmekapazität und kleinere thermische Leitfähigkeit, als die offenporige mit den metallischen Fasern gebildete Struktur, auf. Durch geeignete Auswahl des Speichermedium-Volumens in Bezug zum Volumen der offenporigen Struktur, deren spezifische Oberfläche und die Art und Weise der Anordnung und Auswahl der eingesetzten metallischen Fasern, kann hier eine Optimierung für eine jeweilige Anwendung vorgenommen werden.
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Die Wärmeleitung erfolgt im Wesentlichen über das Metall der offenporigen Struktur und es wird die Wärmekapazität des Speichermediums ausgenutzt.
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Durch die bevorzugte Ausrichtung der Fasern wird ein anisotropes Verhalten der thermischen Leitfähigkeit erreicht und die thermische Leitung erfolgt bevorzugt und deutlich besser in der Richtung in der die Fasern zumindest überwiegend ausgerichtet sind, also von der Außenwand einer rohrförmigen Leitung entlang der Fasern in ihrer Längsrichtung bis hin zur Innenwand des Gehäuses. Dabei kann die relativ große spezifische Oberfläche der Fasern, die im Kontakt mit dem Speichermedium steht, für die Wärmeübertagung vom bzw. zum Speichermedium vorteilhaft genutzt werden.
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Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.
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Dabei zeigt:
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1 eine Schnittdarstellung durch ein Beispiel eines erfindungsgemäßen Wärmespeicherelements.
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Bei einem Beispiel werden durch Schmelzextraktion erhaltene metallische Fasern einer Legierung aus 95 Masse-% Aluminium und 5 Masse-% Kupfer eingesetzt. Die Fasern haben eine mittlere Länge von 6,8 mm und weisen einen mittleren Äquivalenzaußendurchmesser von 133 μm auf. Die Fasern werden mit einer Siebtrommel auf eine geeignete Unterlage geschüttet und auf die Faserschüttung wird eine Druckkraft ausgeübt. Dann wird die Faserschüttung zu einem 10 mm dicken plattenförmigen Element versintert, so dass eine offenporige Struktur 3 mit einer Porosität von 85% erhalten wird. Das plattenförmige Element wird mit einem Laserstrahl so bearbeitet, dass scheibenförmige Elemente 3.1 mit einer zentralen Durchbrechung erhalten werden. Bei diesem Beispiel sind die scheibenförmigen Elemente 3.1 rotationssymmetrisch ausgebildet und die Durchbrechung bildet ein zentrales kreisrundes Loch mit einem Durchmesser von 12 mm. Der Außendurchmesser beträgt 50 mm. Die offenporige Struktur 3 weist keine geschlossenen Poren auf.
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Die scheibenförmigen Elemente 3.1 werden dann auf ein Rohr aus Edelstahl, als rohrförmiges Element 2 mit einem Außendurchmesser von 12 mm aufgeschoben und bilden dabei einen Stapel. Das Rohr wird durch Einführen eines Dornes um 0,5 mm aufgeweitet, so dass die die offenporige Struktur 3 bildenden scheibenförmigen Elemente 3.1 dauerhaft kraftschlüssig an der Außenwand des Rohres fixiert sind, wobei dies für den gesamten Temperaturbereich, in dem das Wärmespeicherelement genutzt wird, gilt.
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Auf die auf dem Rohr als rohrförmigem Element 2 gestapelten scheibenförmigen Elemente 3.1 werden von zwei gegenüberliegenden Seiten zwei kreisrunde Scheiben, die Deckel 1.1 eines Gehäuses 1 bilden, aufgeschoben, wobei in den Scheiben jeweils eine Bohrung als Durchbrechung ausgebildet ist, durch die das Rohr eingeführt werden kann. Das Rohr steht an zwei Seiten über, so dass außen liegende Öffnungen vorhanden sind durch die ein Temperiermedium strömen kann.
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Die äußere Gehäusewand 1.2 wird bei diesem Beispiel mit einem Rohr aus Acrylglas gebildet. Das Acrylglasrohr und die beiden Deckel 1.1 werden stoffschlüssig durch Kleben oder Schweißen miteinander fluiddicht verbunden. Dabei können zusätzliche O-Ringe 4 eingesetzt werden. Das Innere wird mit Paraffin, als Phasenwechsel- bzw. Speichermedium ausgefüllt. Dabei wird ein Füllgrad von 99,2% des theoretischen Innenvolumens erreicht. Die Befüllung kann mittels der beiden in einem Deckel 1.1 ausgebildeten Öffnungen, die mit Schrauben 5 verschlossen sind, erfolgen.
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Als Temperiermedium mit dem Wärme zu und wieder abgeführt werden kann, wird bei diesem Beispiel Wasser eingesetzt.
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Mit einem Wärmespeicherelement nach diesem Beispiel kann eine dauerhafte Wärmeleistung von mindestens 0,25 kW erreicht werden, was einer volumenbezogenen Leistungsdichte von mindestens 350 kW/m3 entspricht. Dabei erfolgte der Phasenwechsel von fest zu flüssig beim Paraffin bei einer Temperatur von 65°C. Die Eintrittstemperatur des Wassers betrug 80°C.
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Die aus der offenporigen Struktur 3 gebildeten scheibenförmigen Elemente 3.1 hatten einen Außendurchmesser von 50 mm und die scheibenförmigen Elemente 3.1 waren über eine Länge von 400 mm gestapelt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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