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HINTERGRUND
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(a) Technisches Gebiet
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Mikropartikel für ein Wärmesteuerungsmaterial, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen der Mikropartikel für das Wärmesteuerungsmaterial unter Verwendung eines Ultraschall-Hochtemperatur-Schwingungsschemas. Genauer gesagt betrifft die vorliegende Erfindung einen Mikropartikel für ein Wärmesteuerungsmaterial, das als ein hoch-wärmeleitfähiges Material zur Temperatursteuerung angewendet werden kann, sowie eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen des Mikropartikels für das Wärmesteuerungsmaterial unter Verwendung des Ultraschall-Hochtemperatur-Schwingungsschemas.
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(b) Stand der Technik
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Das herkömmliche Batterie-Abstrahlungssystem ist vor allem darauf ausgerichtet, Wärme, die sich im Inneren des Systems aufgestaut hat, nach draußen abzugeben. Dadurch kann sich die Leistung der gesamten Batterie in einer Niedrigtemperaturumgebung verschlechtern. Es besteht daher Bedarf an der Entwicklung eines Wärmesteuerungsmaterials (z. B. eines Temperatursteuerungsmaterials) zum Aufrechterhalten einer zweckmäßigen Temperatur innerhalb des Abstrahlungssystems, anstatt das Wärmeleitungs- und abstrahlungsverhalten zu verbessern. Einige Hersteller haben versucht, diese Probleme zu lösen, indem sie ein Phasenwechselmaterial (Phase Change Material, PCM) als das Wärmesteuerungsmaterial verwenden.
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Ein PCM, das in einem Latentwärmespeichersystem verwendet wird, besitzt jedoch eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit, weshalb es schwierig ist, eine effektive Wärmetauschrate zwischen einem Wärmeübertragungsfluid und dem PCM zu erreichen. Des Weiteren ist es schwierig, das PCM zu handhaben, wenn die Phase des PCM bei einer Temperatur, die mindestens so hoch ist wie ein Schmelzpunkt des PCM, in einen flüssigen Zustand übergeht, wodurch eine Kapselung des PCM erforderlich ist.
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KURZDARSTELLUNG DER OFFENBARUNG
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Um das Problem der niedrigen Wärmeleitung und Verkapselung, die Einschränkungen eines existierenden PCM darstellen, zu überwinden, stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Mikropartikels für ein Wärmesteuerungsmaterial unter Verwendung eines Ultraschall-Hochtemperatur-Schwingungsschemas bereit, wobei ein Bomitrid(BN)-Partikel mit einer Plattenform und hoher Wärmeleitfähigkeit (z. B. 3 W/mK in der senkrechten Richtung und 60 W/mK in der basalen Ebene) auf ein PCM aufbeschichtet wird, das die Form einer Mikroperle hat, um die Wärmeleitung in das innere PCM zu erhöhen, so dass auf einfache Weise eine Phasenänderung herbeigeführt wird, und welches eine einfache Handhabung des PCM in einem flüssigen Zustand bei einer Temperatur gleich dem Schmelzpunkt des PCM oder höher erlaubt. Das heißt dass die Wärmeleitfähigkeit der PCM zwar meistens nahe 0 liegt, aber dieses hergestellte Mikropartikel (Mikroperle) hat je nach der Dicke des Mikropartikels eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1–10 W/mK.
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Gemäß einem Aspekt stellt die vorliegende Erfindung eine Vorrichtung zum Herstellen eines Mikropartikels für ein Wärmesteuerungsmaterial unter Verwendung eines Ultraschall-Hochtemperatur-Schwingungsschemas bereit. Genauer gesagt, enthält die Vorrichtung einen Schmelztank zum Schmelzen eines Phasenwchselmaterials (Phase Change Material, PCM); einen Ultraschall-Hochtemperaturvibrator zum Ultraschallbehandeln („sonicating”) und Vernebeln des geschmolzenen PCM; eine Glasröhre, in die ein Trägergas zum Transportieren eines vernebelten PCM-Mikropartikels eingeleitet wird; und einen Auffangbehälter innerhalb einer Auffangkammer, der dafür konfiguriert ist, einen Mikropartikel aufzufangen, der sich verfestigt hat, während er durch die Glasröhre transportiert wurde, und in einem oberen Ende der Glasröhre angeordnet ist.
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Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines Mikropartikels für ein Wärmesteuerungsmaterial unter Verwendung eines Ultraschall-Hochtemperatur-Schwingungsschemas bereit. Genauer gesagt enthält das Verfahren Folgendes: Schmelzen eines PCM; Ultraschallbehandeln des geschmolzenen PCM mit einer Schwingungsfrequenz von mindestens 3 MHz zum Erzeugen eines vernebelten PCM-Mikropartikels; Verfestigen des PCM-Mikropartikels durch Transportröhren, die einen Temperaturgradienten aufweisen; Auffangen eines verfestigten PCM-Mikropartikels; Mikropulverisieren von Bornitrid (BN) in einer Mikroeinheit zum Beschichten auf eine Oberfläche des verfestigten PCM-Mikropartikels; Ausstatten des mikropulverisierten plattenförmigen BN mit einer Funktionalität; und Beschichten der Oberfläche des verfestigten PCM-Mikropartikels mit einem BN-Mikropartikel.
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Gemäß einem weiteren Aspekt stellt die vorliegende Erfindung einen Mikropartikel für ein Wärmesteuerungsmaterial bereit, wobei – gemäß der Vorrichtung und dem Verfahren der vorliegenden Erfindung – der feste Laurinsäure-Mikropartikel als ein Kern ausgebildet ist und der BN-Partikel als eine Schale ausgebildet ist.
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Vorteilhafterweise wird der plattenartige BN-Partikel, der eine ausgezeichnete Leitfähigkeit aufweist, auf das wie eine Mikroperle geformte PCM aufbeschichtet, so dass die Leitung zu dem innerem PCM verstärkt wird, wodurch eine einfache Herbeiführung der Phasenänderung und eine einfache Behandlung des PCM in einem flüssigen Zustand ermöglicht wird.
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Genauer gesagt wird die Wärme effektiv zu dem PCM übertragen, so dass die Eigenschaften des PCM maximal erreicht werden können. Dementsprechend kann die vorliegende Erfindung für ein hoch-wärmeleitfähiges Material zur Wärmesteuerung verwendet werden, das eine zweckmäßige Temperatur in einem Batteriesystem aufrecht erhält.
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KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die obigen und weitere Merkmale der vorliegenden Erfindung werden nun ausführlich mit Bezug auf bestimmte beispielhafte Ausführungsformen davon beschrieben, die in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht sind, die lediglich zur Veranschaulichung in den vorliegenden Text aufgenommen sind und darum die vorliegende Erfindung nicht einschränken, wobei
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1 ein Schaubild ist, das in schematischer Form eine Vorrichtung zum Herstellen eines Mikropartikels für ein Wärmesteuerungsmaterial unter Verwendung eines Ultraschall-Hochtemperatur-Schwingungsschemas gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht; und
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die 2A–2B eine Konzeptansicht sind, die einen Vergleich zwischen einem Mikropartikel oder einem Wärmesteuerungsmaterial der beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung und einem Mikropartikel des Standes der Technik veranschaulicht.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
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Im Folgenden wird nun im Einzelnen auf verschiedene Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung eingegangen, die in Beispielen in den beiliegenden Zeichnungen veranschaulicht und unten beschrieben sind.
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Die vorliegende Erfindung betrifft in erster Linie das Herstellen eines Mikropartikels für ein Wärmesteuerungsmaterial unter Verwendung eines Ultraschall-Hochtemperatur-Schwingungsschemas, das eine Temperatursteuerung und eine Schwingungssteuerung enthält, unter gleichzeitiger Nutzung eines Phasenänderungsphänomens eines Phasenwechselmaterials (Phase Change Material, PCM).
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Das heißt, die vorliegende Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass sie folgendes Schema anwendet: Herstellen von Mikropartikeln mittels Hochfrequenzschwingungen in einem heißschmelzenden Zustand; Transportieren des hergestellten Mikropartikels durch eine Transportröhre, die einen bestimmten Temperaturgradienten aufweist, unter Verwendung eines Trägergases; und Verfestigen des Mikropartikels bei einer niedrigen Temperatur, um den Mikropartikel für ein Wärmesteuerungsmaterial zu erhalten.
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Das hergestellte Mikropartikel verbessert die Wärmeleitung zu dem PCM durch Beschichten eines plattenartigen Bomitrid(BN)-Partikels auf den PCM-Mikropartikel. In diesem Fall ist es notwendig, funktionelle Gruppen am plattenartigen Partikel einzuführen, um einen Spalt zwischen dem BN und dem PCM zu minimieren, der durch eine Volumendifferenz in der Phasenänderung entsteht, der die Wärmeleitung blockiert und um die Beschichtung des plattenartigen BN-Partikels zu stabilisieren.
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Dementsprechend führt die vorliegende Erfindung eine Amingruppe und eine Hydroxylgruppe ein und induziert eine Kondensationsreaktion mit Carboxylgruppen eines fettsäureartigen PCM auf der Basis einer Defektstelle, verstärkt durch eine Mikropulverisierung mittels Zermahlen des BN-Partikels, der ausgezeichnete Wärmeübertragungseigenschaften aufweist, um die Grenzflächenstabilität zwischen dem PCM und dem plattenartigen BN-Partikel zu verbessern und gleichzeitig die Formstabilität zu verbessern und das Entstehen eines Grenzflächenspaltes zu minimieren, der während der Volumenänderung entsteht, wodurch eine effektive Wärmeübertragung erreicht wird. Eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Herstellen eines Mikropartikels für ein Wärmesteuerungsmaterial unter Verwendung eines Ultraschall-Hochtemperatur-Schwingungsschemas gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung werden im Folgenden ausführlich beschriebenen.
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1 ist ein Schaubild, das schematisch eine Vorrichtung zum Herstellen eines Mikropartikels für ein Wärmesteuerungsmaterial unter Verwendung des Ultraschall-Hochtemperatur-Schwingungsschemas gemäß einer beispielhaften Ausführungsform der vorliegenden Erfindung veranschaulicht. Das PCM ist eine Fettsäure, die als Laurinsäure bekannt ist, die eine -COOH-Gruppe an einem Ende hat, so dass sie bei einem bestimmten pH-Wert ionisiert werden kann, und die des Weiteren wasserunlöslich ist, so dass sie in einem Lösemittel, wie zum Beispiel Ethanol und Dimethylformamid, geschmolzen wird. Ein Schmelzpunkt des PCM beträgt 42°C. Ansonsten kann auch Palmitinsäure – ebenfalls eine Fettsäure – als das PCM verwendet werden.
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In der veranschaulichenden Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird jedoch das PCM, das die oben beschriebene Eigenschaft aufweist, in einem Schmelztank 11 der Vorrichtung 10, die in 1 veranschaulicht ist, geschmolzen, wobei die Laurinsäure auf 70 bis 80°C erwärmt wird, so dass das PCM vollständig geschmolzen wird. Anschließend wird die geschmolzene Laurinsäureflüssigkeit mit einer Schwingungsfrequenz von mindestens 3 MHz in einem Ultraschallvibrator 12 mit Ultraschall behandelt, so dass sich die Laurinsäure in Flüssigkeitstropfen verwandelt, die eine bestimmte zugeordnete Mikrogröße besitzen, und wird gleichzeitig Ultraschallschwingungen mit einer hohen Schwingungsfrequenz (z. B. 30–100 Hz) ausgesetzt, wodurch die geschmolzene Laurinsäureflüssigkeit vernebelt wird.
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Die vernebelte Laurinsäure, d. h. das PCM-Mikropartikel 15 mit einer Größe von 10 bis 20 μm, bewegt sich vermittels eines Trägergases 21, wie zum Beispiel N2, O2 und Ar, das in eine Glasröhre 13, die eine vorgegebene Länge aufweist, eingeleitet wird, kontinuierlich von einem unteren Ende 13a der Glasröhre zu einem in einer Auffangkammer 14 befindlichen Auffangbehälter 22, der mit einem oberen Ende 13b der Glasröhre verbunden ist.
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In diesem Fall sind erste bis vierte Wärmebehandlungszonen 16, 17, 18 und 19 nacheinander in einem Außenumfangsabschnitt des Glasröhre 13 angeordnet, so dass der Mikropartikel 15 vor dem Verfestigen die ersten bis vierten Wärmebehandlungszonen 16, 17, 18 und 19 durchquert, wenn er sich zum oberen Ende der Glasröhre 13 bewegt.
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Insbesondere sind die Temperaturen der ersten bis vierten Wärmebehandlungszonen 16, 17, 18 und 19 verschieden, und die Temperatur verringert sich von der ersten Wärmebehandlungszone 16 zur vierten Wärmebehandlungszone 19. Dementsprechend wird die vernebelte Laurinsäure, d. h. das PCM-Mikropartikel 15, stabil verfestigt, um zu dem verfestigten Mikropartikel 20 zu werden.
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Bevorzugt liegt die Temperatur der ersten Wärmebehandlungszone 16 im Bereich von 50 bis 70°C, die Temperatur der zweiten Wärmebehandlungszone 17 im Bereich von Raumtemperatur bis 50°C, die Temperatur der dritten Wärmebehandlungszone 18 im Bereich von 10°C bis Raumtemperatur und die Temperatur der vierten Wärmebehandlungszone 19 im Bereich von 0 bis 10°C.
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In diesem Fall wird der verfestigte Mikropartikel 20 in dem Auffangbehälter 22 innerhalb der Auffangkammer 14 durch die Saugwirkung eines Saugmotor 18 aufgefangen, und somit wird das feste Laurinsäure-Mikropartikel, der eine Größe von 40 bis 100 μm aufweist, in dem Auffangbehälter 22 aufgefangen.
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Als Nächstes wird das BN mikropulverisiert, um den festen Laurinsäure-Mikropartikel mit dem BN-Partikel zu beschichten. Für die Mikropulverisierung des BN wird ein leistungsstarkes Kugelmühlensystem verwendet, z. B. eine vertikale Planetenkugelmühle mit einer Stahlkugel mit einem Durchmesser von 25 mm.
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Gemäß einer beispielhaften Ausführungsform werden ungefähr 4 g BN in die Kugelmühle gegeben, und gleichzeitig wird drei- oder viermal ein Reaktionsgas (N2, Ar usw.) in die Kugelmühle eingeleitet; ein Druck der Kugelmühle wird auf 300 kPa beim Mahlen eingestellt, und dann wird unter Anwendung des eingestellten Drucks gemahlen. Während dieser Phase wird ein Gas, wie zum Beispiel N2 und Ar, bei mindestens 1000°C in die Kugelmühle eingeleitet, und das BN wird getempert, so dass das mikropulverisierte plattenartige BN mit einem Durchmesser von 50 nm bis 1 μm und einer Dicke von mehreren Nanometer (1 bis 50 nm) erhalten werden kann.
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Als Nächstes wird ein Schritt ausgeführt, durch den das reine pulverisierte plattenartige BN mit einer Funktionalität versehen wird. Für das Funktionalisieren des BN wird der dispergierte BN-Partikel mit einem Amin-terminierten PEG, von dem ein Ende durch die Amingruppe substituiert ist, als eine Lewis-Base in einem Gewichtsverhältnis von BN:PEG = 1:10 bis 1:5 vermischt, und anschließend wird das Gemisch vier bis sechs Tage lang einer Wärmereaktion ausgesetzt.
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Um das PEG herauszuziehen und gleichzeitig zu ent-ionisieren, wird in diesem Fall das Gemisch aus BN und PEG mit Ultraschallwellen unter Verwendung einer großen Menge Tetrahydrofuran als Lösemittel dispergiert, und es wird ein Zentrifugieren bei 3000 U/min mit drei bis fünf Wiederholungen ausgeführt, so dass das Lösemittel verdampft, wodurch das funktionalisierte BN erhalten wird.
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Als Nächstes wird die Oberfläche des festen Laurinsäure-Mikropartikels mit dem BN-Partikel beschichtet. Das heißt, es wird die Produktion des Mikropartikels für das Wärmesteuerungsmaterial der vorliegenden Erfindung ausgeführt, wobei das feste Laurinsäure-Mikropartikel als ein Kern ausgebildet wird und der BN-Partikel als eine Schale ausgebildet wird.
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Zu diesem Zweck werden das feste Laurinsäure-Mikropartikel und das BN-Partikel in einer Lösemittelphase dispergiert.
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Darum ist es notwendig, einen zweckmäßigen pH-Bereich zu finden, um gleichzeitig eine Kationisierung (-NH2 → -NH3+) der Amingruppe und eine Anionisierung (-COOH → -COOH–) der -COOH-Gruppe zu erreichen. Dementsprechend werden das hergestellte feste Laurinsäure-Mikropartikel und das BN-Partikel in einer Pufferlösung, die einen pH-Bereich von 2,34 bis 9,69 aufweist, in einem Gewichtsverhältnis von BN:Laurinsäure = 1:10 bei Raumtemperatur 24 Stunden lang gerührt und anschließend für eine effektive Absorption in einer Nassmühle nassgemahlen.
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Die Absorption entsteht zwischen dem festen Laurinsäure-Mikropartikel und dem BN-Partikel durch elektrostatische Anziehung entsprechend der Ionisierung des festen Laurinsäure-Mikropartikels und des BN-Partikels entsprechend dem pH-Wert und einer mechanischen Kraft durch das Nassmahlen, was die Fertigstellung des Mikropartikels für das Wärmesteuerungsmaterial zur Folge hat, wobei das feste Laurinsäure-Mikropartikel als der Kern ausgebildet ist und das BN-Partikel als eine Schale ausgebildet ist.
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Dann wird zu einem Zentrifugalreinigungsprozess übergegangen, bei dem das Mikropartikel für das Wärmesteuerungsmaterial 10 Minuten lang bei 1000 bis 4000 U/min zentrifugiert wird; der Überstand wird abgetrennt; dann wird die Zentrifuge erneut mit Wasser gefüllt, und das Mikropartikel wird mit Ultraschallwellen dispergiert. Anschließend wird wieder drei- bis fünfmal zentrifugiert.
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Das gereinigte Mikropartikel für das Wärmesteuerungsmaterial wird dann getrocknet, wobei das gereinigte Mikropartikel für das Wärmesteuerungsmaterial 24 Stunden lang bei einer niedrigeren Temperatur als einem Schmelzpunkt das Laurinsäure vakuumgetrocknet wird, wodurch das BN-PCM-Mikropartikel erhalten wird, bei dem es sich um den Mikropartikel für das Wärmesteuerungsmaterial der vorliegenden Erfindung handelt.
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Wie in 2A veranschaulicht, wird bei dem mittels der obigen Prozesse hergestellten Mikropartikel für das Wärmesteuerungsmaterial der vorliegenden Erfindung das feste Laurinsäure-Mikropartikel als das Kern 30 ausgebildet, und der BN-Partikel wird als die Schale 32 ausgebildet.
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Wie in 2B veranschaulicht, hat das herkömmliche Mikropartikel für das Wärmesteuerungsmaterial eine Struktur, bei der das PCM als ein Kern 34 ausgebildet ist und eine Polymerharzschicht als eine Schale 36 ausgebildet ist, so dass die aus der Polymerharzschicht bestehende Schale 36 nachteiligerweise eine Übertragung von Wärme in eine Kernregion hinein verhindert.
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Demgegenüber dient bei dem Mikropartikel für das Wärmesteuerungsmaterial der vorliegenden Erfindung die aus dem BN-Partikel bestehende Schale 32 zur Übertragung von Wärme zu dem aus dem PCM bestehenden Kern 30, d. h. den Laurinsäure-Mikrokernen, so dass es möglich ist, die Wärmeleitung zu dem inneren PCM zu erhöhen, so dass eine Phasenänderung auf einfache Weise herbeigeführt werden kann.
