DE102012214957A1

DE102012214957A1 - Wärmemanagement-System zur Reichweitenerhöhung eines Elektrofahrzeugs

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Publication number: DE102012214957A1
Application number: DE201210214957
Authority: DE
Inventors: Klaus Hahn; Olaf Kriha; Christian Schmidt; Jan Kurt Walter Sandler; Nikolaus Nestle; Elena Khazova; Marc Fricke
Original assignee: BASF SE
Current assignee: BASF SE
Priority date: 2012-08-23
Filing date: 2012-08-23
Publication date: 2014-02-27

Abstract

Ein Wärmemanagementsystem, insbesondere zur Ausrüstung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb, umfassend mindestens eine Vakuumisolationspaneele, gefunden, wobei die mindestens eine Vakuumisolationspaneele als Kernmaterial nanoporöse Polymerteilchen, die eine Zellzahl im Bereich von 1.000 bis 100.000 Zellen/mm und eine Dichte im Bereich von 10 bis 350 kg/m3 aufweisen, wobei mindestens 60 Gewichtsprozent der nanoporösen Polymerteilchen in der Siebanalyse nach DIN 6165 eine Partikelgröße kleiner als 100 µm aufweisen, enthält.

Description

Bei Elektrofahrzeugen wird die maximale Fahrreichweite nur unter den Bedingungen erzielt, dass keine zusätzliche elektrische Energie für Heiz- oder Kühlsysteme aufgewendet werden muss. Sobald die Außentemperatur merklich oberhalb 20 °C oder deutlich unter 15 °C liegt, verringert sich diese Fahrleistung signifikant, da zusätzliche elektrische Verbraucher in Form einer Heizung bzw. einer Klimaanlage zugeschaltet werden müssen. Dies ist z.B. unter Sommerbedingungen (hohe Temperaturen und Sonneneinstrahlung, die das Fahrzeug zusätzlich aufheizt) oder unter Winterbedingungen (tiefe Temperaturen, Heizung für den Innenraum und Enteisung der Scheiben) der Fall.
Bekannt sind Beispiele von Elektrokleinwagen, bei denen sich die Fahrleistung im Sommer durch den Energiebedarf der Klimaanlage gegenüber idealen Bedingungen um bis zu 30 % reduzierte (Spiegel Online, 1. März 2009). Ferner gibt es eine Reihe von bekannten Beispielen aus Fahrtests unter Winterbedingungen (–7 °C gegenüber 23 °C Referenzfall), in denen sich die maximale Fahrleistung um bis zu 50 % verringert hat (Auto Motor Sport vom 16.12.2010, unter Nutzung des TÜV SÜD Fahrzyklus für Elektrofahrzeuge TSECC).
Ein zentrales Problem ist es somit, diese saisonalen Schwankungen der maximalen Reichweite zu verringern und folglich die Reichweite unter diesen Bedingungen um mindestens 10 %, vorteilhaft um mindestens 20 % zu erhöhen. Eine solche Lösung sollte jedoch idealer Weise die Fertigungskosten des Fahrzeugs nicht drastisch erhöhen und unter Beibehaltung der bekannten tragenden Karosseriewerkstoffe implementiert werden und keine zugelassenen und zertifizierten sicherheitsrelevanten Karosserieteile und Antriebsteile incl. der Batterie verändert werden, um eine Integration auch schon in bestehende Serien zu ermöglichen.
Das Gesamtgewicht des Fahrzeugs sollte nicht deutlich zunehmen (Gewichtszunahme < 3 %) und die zu erstellende Lösung sollte auf passiven System basieren, d.h. keine komplexen Steuerungs- oder Regelungssysteme erfordern und nicht selbst noch Energie verbrauchen.
Viele Ansätze versuchen durch Gewichtsreduzierung (Leichtbau) oder durch neue Antriebsund Batteriekonzepte diese Ziele zu erreichen. Dadurch sind allerdings kostenaufwendige- und langwierige Entwicklungsarbeiten notwendig und solche Lösungen können daher nicht kurzfristig in existierende Modellreihen integriert werden.
Leichtbau-Lösungen oder Optimierungen der Antriebskonzepte (z.B. verbesserte Elektromotoren) können zwar den mittleren Energieverbrauch für den Antrieb durch geringeres Gewicht verringern, erhöhen aber nicht die Effizienz der Kühl- oder Heizsysteme und tragen somit nicht zu der beschriebenen Verringerung der saisonalen Schwankungen der Reichweite bei. Eine Zusammenfassung ist z. B. in der Zeitschrift „lightweight design“ (5/2010; Seite 36ff) veröffentlicht.
Eine erhöhte Batteriekapazität kann zwar die Gesamtreichweite unter idealen Bedingungen erhöhen, trägt aber ebenfalls nicht dazu bei, die Abhängigkeit der Reichweite von der Außentemperatur zu verringern.
Die WO 2006/024010 beschreibt eine Wärmemanagementsystem auf Basis von Aerogel- Materialien für Fahrzeuge zur Wärmedämmung mit geringem Gewicht und Raumbedarf.
Die Verwendung eines Vakuumisolationspaneels zusammen mit einem Schall-aborbierenden Faser- oder Schaumformkörper als wärmedämmende und schallisolierenes Schicht für ein Laminat in Fahrzeuginnenseite ist in EP-A 1 690 770 beschrieben.
Die Verwendung IR reflektierender Pigmente, beispielsweise von schwarzen Perylen-Pigmenten in Lacken zur Herabsetzung des durch Einsstrahlung von Sonnenlicht ausgelösten Temperaturanstieges in Fahrzeugen ist beispielsweise aus WO 2004/049539 oder WO 1992/008152 bekannt.
IR reflektierende Pigmente in Leder/ Kunstleder und Kunststoffoberflächen sind beispielsweise aus WO 2002/012405 oder US 2008/0138609 bekannt.
Die WO 2009/153287 beschreibt Wärmestrahlung abschirmende Folien und Laminate auf Basis von IR reflektierenden flüssigkristallinen Schichten.
Zu thermischen Isolationsmaterialien, insbesondere VIPs, in Zusammenhang mit Fahrzeugen findet sich wenig. Für VIPs als Wärmedämmmaterialien in Schienenfahrzeugen finden sich US7249654 und EP1690770 .
Aufgabe der Erfindung war es, den genannten Nachteilen abzuhelfen und ein Wärmemanagementsystem zur Ausrüstung von Fahrzeugen, insbesondere Elektrofahrzeugen, gefunden werden, welches die Reichweite mit einer Batterieladung auch bei Klimatisierung des Fahrzeuges sowohl im Winterbetrieb als auch im Sommerbetrieb bei gleichbleibendem Innenkomfortklima ohne wesentliche Erhöhung des Fahrzeuggesamtgewichtes erhöht.
Demgemäß wurde ein Wärmemanagementsystem, insbesondere zur Ausrüstung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb, umfassend mindestens eine Vakuumisolationspaneele, gefunden, wobei die mindestens eine Vakuumisolationspaneele als Kernmaterial nanoporöse Polymerteilchen, die eine Zellzahl im Bereich von 1.000 bis 100.000 Zellen/mm und eine Dichte im Bereich von 10 bis 350 kg/m3 aufweisen, wobei mindestens 60 Gewichtsprozent der nanoporösen Polymerteilchen in der Siebanalyse nach DIN 6165 eine Partikelgröße kleiner als 100 µm aufweisen, enthält.
Als Wärmemanagementsystem werden die verschiedenen Maßnahmen zur Lösung der oben genannten Aufgabe bezeichnet. Das Wärmemanagementsystem besteht insbesondere aus den verschiedenen Ausrüstungs- oder Karosserieteilen eines Fahrzeuges mit Elektroantrieb, welche zur Erhöhung der Reichweite einer Batterieladung bei Klimatisierung des Fahrzeuges beitragen.
Die beschriebene saisonale Verringerung der Fahrreichweite eines Elektrofahrzeugs, bedingt durch die elektrischen Verbraucher Heizung (Winter) bzw. Klimaanlage (Sommer), lässt sich durch verschiedenste, passive Maßnahmen reduzieren, die in ihrer Kombination zu einer erheblichen, überproportionalen Effizienzsteigerung der Klimatisierungssysteme des Fahrzeugs führen. Dieses komplette Wärmemanagement-System erhöht somit die Reichweite des Fahrzeugs unter Sommer- und Winterbedingungen.
Durch das so gestaltete Gesamtsystem aus thermischer Isolation, Latentwärmespeicher und Wärmestrahlung (IR) reflektierenden Pigmenten im Lack und Innenraum, sowie einem IR reflektierenden Polymerfilm für die Glasflächen des Fahrzeugs kann die Fahrreichweite nach dem NEDC im Winterfall (–7 °C) bzw. im Sommerfall (+40 °C und 1000 W/m² Sonneneinstrahlung, 50 km/h) um mindestens 10 %, vorteilhafterweise um mindestens 20 % erhöht werden.
Erfindungsgemäß wird zunächst der Energietransport zwischen äußerer Karosserie und dem Fahrzeuginnenraum durch hocheffiziente Vakuumisolationspaneele verringert. Sie dämmen das Fahrzeug im Sommer gegen Wärme, im Winter gegen Kälte und können dank ihrer hohen Effizienz auch in geringer Dicke überall im Fahrzeug verbaut werden. Die so wärmegedämmten Bereiche umfassen bevorzugt die Türen (zwischen Außenhaut und Innenverkleidung), das Dach (zwischen Außenhaut und Dachhimmel), den Bodenbereich (zwischen Teppichmaterial des Fußraums und Unterboden), den Fußraum und die Rückwand.
Da in einem Fahrzeug der verfügbare Bauraum eingeschränkt ist und nur geringe Dicken der Isolation zulässt, eignen sich für diese Fragestellung insbesondere Hochleistungs- Dämmmaterialien mit geringen Wärmeleitwerten von 3–10 mW/mK, insbesondere Vakuumisolationspaneele mit einem Kernmaterial aus einem nanozellulären Schaumstoff auf Basis eines Thermoplasten oder Polyurethans.
Als Kernmaterial kann dazu beispielsweise ein nanoporöses Polymermaterial auf Basis von PMMA eingesetzt werden. Dieses Material kann aus einem nanozellulären Schaumstoff durch Vermahlen der Schaumstoffstränge auf ca. 50–1000 µm mittleren Partikeldurchmesser hergestellt. Der Innendruck der vakuumierten Paneele mit diesem Kernmaterial beträgt nach der Herstellung < 10 mbar, insbesondere < 5 mbar.
Als Kernmaterialen eignen sich nanoporösen Polymerteilchen mit einer Zellzahl im Bereich von 1.000 bis 100.000 Zellen/mm und einer Dichte im Bereich von 10 bis 350 kg/m³, wobei mindestens 60 Gewichtsprozent der nanoporösen Polymerteilchen in der Siebanalyse nach DIN 6165 eine Partikelgröße kleiner als 100 µm aufweisen.
Bevorzugt enthält die Vakuumisolationspaneele ein Kernmaterial mit einer Dichte im Bereich von 50 bis 350 kg/m³, wobei das Kernmaterial eine Mischung aus

A) 30 bis 100 Gewichtsprozent nanoporösen Polymerteilchen, die eine Zellzahl im Bereich von 1.000 bis 100.000 Zellen/mm aufweisen, wobei mindestens 85 Gewichtsprozent der nanoporösen Polymerteilchen in der Siebanalyse nach DIN 66165 eine Partikelgröße von kleiner als 100 µm aufweisen, und
B) 0 bis 70 Gewichtsprozent pyrogener oder gefällter Kieselsäure

Kernmaterial
Das Kernmaterial enthält die Komponenten in den angegebenen Gewichtsanteilen. Bevorzugt besteht es aus den Komponenten A) und B)
Vorzugsweise besteht das Kernmaterial aus einer Mischung aus

A) 25 bis 95 Gewichtsprozent, bevorzugt 30 bis 70 Gewichstprozent der nanoporösen Polymerschaumstoffteilchen und
B) 5 bis 75 Gewichtsprozent pyrogene, bevorzugt 30 bis 70 Gewichtsprozent pyrogener oder gefällter Kieselsäure.

Die Dichte des Kernmaterials der Vakuumisolationspaneele liegt im Bereich von 50 bis 350 kg/m³, bevorzugt im Bereich von 70 bis 300 kg/m³, besonders bevorzugt im Bereich von 80 bis 250 kg/m³ auf
Komponente A)
Erfindungsgemäß weisen mindestens 60 Gewichtsprozent, bevorzugt mindestens 95 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt mindestens 99 Gewichtsprozent der nanoporösen Polymerteilchen in der Siebanalyse nach DIN 66165 eine Partikelgröße von kleiner als 100 µm auf.
Bevorzugt werden Vakuumisolationspaneele bei denen mindestens 50 Gewichtsprozent, bevorzugt mindestens 95 Gewichtsprozent, besonders bevorzugt mindestens 99 Gewichtsprozent der nanoporösen Polymerteilchen (Komponente A) in der Siebanalyse nach DIN 66165 eine Partikelgröße von kleiner als 63 µm aufweisen.
Besonders bevorzugt werden nanoporöse Polymerteilchen eingesetzt, bei denen mindestens 85 Gewichtsprozent der nanoporösen Polymerteilchen (Komponente A) in der Siebanalyse nach DIN 66165 eine Partikelgröße von kleiner als 100 µm und gleichzeitig mindestens 50 Gewichtsprozent nanoporösen Polymerteilchen in der Siebanalyse nach DIN 66165 eine Partikelgröße von kleiner als 63 µm aufweisen.
Als nanoporöse Polymerteilchen können Teilchen aus Polystyrol, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat, Styrol-Acrylnitril-Copolymere, Polysulfone, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyurethan, Melamin-, Phenol-, Resorzinol-, Harnstoff-Formaldehydharze oder Mischungen davon eingesetzt werden. Bevorzugt werden nanoporöse Polymerteilchen aus Polystyrol oder Polymethylmethacrylat (PMMA) eingesetzt.
Die nanoporösen Polymerschaumstoffteilchen weisen eine mittlere Zellzahl im Bereich von 1.000 bis 100.000 Zellen/mm, bevorzugt von 2.000 bis 50.000 und besonders bevorzugt von 5.000 bis 50.000 Zellen/mm. Die Schaumdichte liegt üblicherweise im Bereich von 10 bis 500 kg/m³, bevorzugt im Bereich von 10 bis 300 kg/m³, besonders bevorzugt im Bereich von 10 bis 250 kg/m³ auf.
Erfindungsgemäß umfasst der Begriff „nanoporös“ Porengrößen im Bereich von 5 bis 1000 Nanometern.
Erfindungsgemäß beschreibt der Begriff „mittlere Zellgröße“ den mittleren Durchmesser von kreisrunden Schaumzellen mit zu den realen Zellen äquivalenten Querschnittsflächen in typischen Häufigkeits/Größenkurven, wie sie aus Auswertung von mindestens 10 realen Zellflächen von repräsentativen elektronenmikroskopischen Aufnahmen bestimmt werden können.
Erfindungsgemäß beschreibt der Begriff „Schaumdichte“ oder auch „Dichte“ das Masse zu Volumenverhältnis der geschäumten nanoporösen Formmasse, welche nach der Auftriebsmethode bestimmt werden kann oder sich rechnerisch aus dem Quotient Masse zu Volumen eines Formteils ergibt.
Die eingesetzten, nanoporösen Polymerschaumstoffpartikel können, wie im Folgenden beschrieben, hergestellt werden.
Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung der nanoporösen Polymerschaumstoffpartikel umfasst die Stufen

a) eine Beladung einer aus thermoplastischen Polymeren gebildeten Polymerschmelze mit einem Treibmittel unter einem Druck und bei einer Temperatur, bei dem sich das Treibmittel im überkritischen Zustand befindet,
b) ein Temperieren der beladenen Polymerschmelze auf eine Temperatur welche im Bereich von –40 bis +40 °C um die Glasübergangstemperatur des reinen Polymeren liegt,
c) eine Druckentspannung der in Stufe a) beladenen Polymerschmelze mit einer Druckentspannungsrate im Bereich von 15.000 bis 2000.000 MPa/sec erfolgt, und
d) Zerkleinern des in Stufe c) erhaltenen nanoporösen Polymerschaumstoffes zu Schaumstoffpartikeln mit einem mittleren Partikeldurchmesser im Bereich von 50 bis 100 µm.

Komponente B)
Aus technischen und wirtschaftlichen Gründen können der Mischung anorganische Füllmaterialien zugesetzt werden. Zum Einsatz kommen vorzugsweise verschiedene, synthetisch hergestellte Modifikationen von Siliciumdioxid wie z. B. gefällte Kieselsäuren, Lichtbogenkieselsäuren, SiO₂-haltige Flugstäube, die durch Oxidationen von flüchtigem Siliciummonoxid, bei der elektrochemischen Herstellung von Silicium oder Ferrosilicium entstehen. Ebenso Kieselsäuren, die durch Auslaugen von Silikaten wie Calziumsilikat, Magnesiumsilikat und Mischsilikaten wie z. B. Olivin (Magnesium-Eisensilikat) mit Säuren hergestellt werden. Ferner kommen zum Einsatz natürlich vorkommende SiO₂-haltige Verbindungen wie Diatomeenerden und Kieselguren. Ebenfalls können zur Anwendung kommen: thermisch aufgeblähte Mineralien wie vorzugsweise Perlite und Vermiculite. Je nach Bedarf können vorzugsweise feinteilige Metalloxide wie vorzugsweise Aluminiumoxid, Titandioxid, Eisenoxid zugesetzt werden.
Bevorzugt wird als Komponente B) pyrogene Kieselsäure mit einer spezifischen Oberfläche nach BET von 100 bis 500 m²/g und einer mittleren Primärpartikelgröße im Bereich von 1 bis 10 nm eingesetzt.
Die pyrogene Kieselsäure weist bevorzugt einen Wassergehalt im Bereich von 0,1 bis 8 Gew.-%, besonders bevorzugt im Bereich von 1 bis 5 Gew.-% auf.
Zur Herstellung der oben beschriebenen Vakuumisolationspaneele eignet sich ein Verfahren bei dem eine Mischung der Komponenten A) und gegebenenfalls B) sowie weitere Bestandteile des Kernmaterials in eine Hülle gefüllt wird und der gefüllte Hülle anschließend evakuiert und verschweißt wird. Als Hülle wird bevorzugt ein Polymerfilm, welche eine metallische Beschichtung aufweist, besonders bevorzugt eine metallisierte Polyethylentherephtalatfolie eingesetzt.
Die Abmischung der Komponenten A) und B) sowie gegebenenfalls weiterer Komponenten für das Kernmaterial kann generell in diversen Mischaggregaten stattfinden. Bevorzugt kommen jedoch Planetenmischer oder Rhönradmischer zur Anwendung. Hierbei ist es vorteilhaft, die Fasern zuerst mit einem Teil der zweiten Mischkomponenten als eine Art Masterbatch vorzumischen, um damit ein vollständiges Aufschließen der Fasern zu gewährleisten. Nach dem Faseraufschluss erfolgt die Zugabe des größten Teils der Mischkomponenten.
Nach Beendigung des Mischprozesses kann das Schüttgewicht der Mischung je nach Art und Menge der Komponenten zwischen vorzugsweise 40–180 kg/m³, bevorzugt 40–120 kg/m³, betragen. Die Rieselfähigkeit der resultierenden porösen Mischung ist sehr gut, so dass sie problemlos und homogen zu Platten verpresst u. a. auch z. B. in die Hohlräume von Hohlbausteinen eingefüllt und verpresst werden kann. Beim Verpressen zu Platten kann durch Festlegung auf bestimmte Plattenstärken, über das Gewicht, die Dichte und infolge dessen auch die Wärmeleitzahl des Dämmstoffes wesentlich beeinflusst werden.
Der Einsatz der nanoporösen Polymerschaumstoffe als Kern-Wärmedämmstoff in Vakuumisolationspaneelen erlaubt das Einstellen einer optimalen Kombination aus Wärmeleitfähigkeit bei niedrigem Druck, Lebensdauer und geringer Dichte in Abhängigkeit der Parameter Zellgröße und Schaumdichte sowie der eingestellten Partikelgröße und Partikelgrößenverteilung. Als Kernmaterialien eingesetzt werden können die nanoporösen Polymerschaumstoffe direkt als lose Schüttung oder als verpresste Formkörper.
Die so isolierten Fahrzeuge können zusätzlich mit Latentwärmespeichern ausgerüstet werden, dabei lässt sich das mikroverkapselte Material (z.B. Micronal^® PCM, DS 5001, 5008 oder 5029; Schmelztemperatur 20–40 °C, Wärmekapazität der Reinmaterials 50–200 J/g) z.B. in den Teppichschaum, das Dachhimmelmaterial oder andere karosserienahe Materialien integrieren (Beladung des Matrix-Materials mit PCM-Kapseln 10–60 Gew.-%).
Der Lack des Fahrzeugs, sowie die Oberflächen im Innenraum (Instrumententafel, Innenverkleidung, Sitz, Armlehnen) enthalten rußfreie Pigmentsysteme, die das Infrarotlicht partiell reflektieren, z.B. eine Kombination aus Paliogen^® Black L 0086 und Sicopal^® Black K 0095 oder anderen IR transparenten bzw. IR reflektierenden Pigmenten auf Basis von Perylenen oder Fe/Cr-Oxiden. Die TSR-Werte (total solar reflection = Reflexion des Sonnenlichts zwischen 300 und 2400 nm Wellenlänge) dieser Oberflächen liegen zwischen 15 und 60 %, insbesondere zwischen 20 und 40 %.
Das Infrarot-reflektierende Lacksystem unterstützt das umfassende Temperaturmanagement. Bevorzugt werden weiße oder helle Lacksysteme, die von sich aus einen hohen Reflexionsgrad für das Sonnenlicht besitzen. Aber auch mit dunklen Lacken beschichtete Oberflächen können durch Verwendung spezieller Pigmentsysteme einen hohen Reflexionsgrad für das Sonnenlicht („total solar reflection“ = Anteil der reflektierten, eingestrahlten Energie im Wellenlängenbereich von 300–2400 nm) aufweisen und sich so weniger stark aufheizen. Das kann zu einer Temperaturreduktion von bis zu 20 Grad Celsius auf der Lackoberfläche und bis zu circa vier Grad im Innenraum des Fahrzeuges führen.
Die Scheiben des Fahrzeugs, insbesondere die Windschutzscheibe, sind mit einem transparenten Polymerfilm der Dicke 30–200 µm, besonders 50–100 µm, ausgestattet, der selektiv den nah-IR-Bereich des Sonnenlichts reflektiert. Diese Filme sind dadurch charakterisiert, dass sie im Wellenlängenbereich von 300–2400 nm 30–60 % der gesamten Strahlung reflektieren (TSR 30–60 %), im Wellenlängenbereich 780–1300 nm mindestens 50 % der Strahlung reflektieren und im Bereich 1300–2400 nm maximal 20 % reflektieren. Im Bereich des sichtbaren Lichts (380–780 nm) zeigen diese Filme eine Transmission von mindestens 70 % des Lichts und können daher auch in getönte Scheiben (z.B. Grünglas) integriert werden. Ferner sind diese Film rein organisch aufgebaut, d.h. sie enthalten keine Metalle, Halbmetalle oder Metall- bzw. Halbmetalloxide oder -nitride (wie z.B. bekannte, metallisierte PET-Filme). Besonders für die Windschutzscheibe kann dieser Film in die Laminatschicht des Glasverbunds (zwischen äußerer Scheibe und PVB) integriert werden. Als metallfreie Folie sorgt sie dafür, dass Infrarotstrahlung des Sonnenlichts wirkungsvoll reflektiert wird, jedoch Radiowellen, die für den Einsatz von GPS, Bluetooth oder Mobiltelefonen benötigt werden, ungehindert passieren können.
Das erfindungsgemäße Wärmemanagementsystem ermöglich die Ausrüstung kommerziell verfügbarer Elektrofahrzeuge ohne sicherheitsrelevante Karosserieteile und Antriebsteile incl. der Batterie verändern zu müssen. Bei einer Erhöhung der Gesamtmasse des Fahrzeugs durch das erfindungsgemäße Wärmemanagementsystem von nicht mehr als 3 % kann die Reichweite bei einer Batterieladung unter Sommer- und Winterbedingungen dabei um mehr als 15% erhöht werden.
Heizung und Klimaanlage tragen wesentlich zum Energieverbrauch im Fahrzeug bei. Durch das erfindungsgemäße Wärmemanagementsystem mit den Komponenten Polymerfilm in den Fensterscheiben, der Wärmestrahlung reflektiert, und den Einsatz von Vakuumisolationspaneelen, lässt sich dieser Energiebedarf für die Kühlung und Heizung deutlich reduzieren. Beispiele Einsatzstoffe:

PMMA 6N: PMMA Plexiglas 6N von Evonik Röhm GmbH mit einer Glasübergangstemperatur von ca. 102°C (gemessen mit DSC nach ISO 11357-2, Heizrate: 20K/min)
Herstellung eines nanoporösen Polymerschaumstoffes auf Basis von PMMA
Ein nanoporöser Polymerschaumstoff mit niedriger Dichte wurde in einem kontinuierlichen Extrusionsverfahren hergestellt.
Hierbei wurde als polymere Formmasse ein PMMA Plexiglas 6N der Firma Evonik Röhm GmbH wie geliefert eingesetzt. In Stufe 1 wurde die polymere Formmasse in einem Extruder (Leistritz 18 mm) bei einem Durchsatz von 2,26 kg/h aufgeschmolzen und homogenisiert. Im direkten Anschluss an die Plastifizierung der polymeren Formmasse wurde überkritisches CO2 mit einem Druck von ungefähr 475 bar in die Formmasse bei einer Schmelzetemperatur von ca. 220°C injiziert. Hierfür wurde ein Massestrom von ungefähr 0,780 kg/h CO2 eingestellt, woraus sich eine Beladung von ungefähr 34,5 Gew.% bezogen auf die Masse Polymer ergibt.
Die beladene Formmasse wurde dann über Misch- und Kühlelemente auf eine Temperatur von ca. 103°C vor der Düse abgesenkt. Der Druck entlang der Prozessstrecke nach der Treibmittelinjektion wurde durch Einsatz von Schmelzepumpen über einem Mindestwert von 350 bar gehalten.
Durch Extrusion der beladenen Formmasse unter diesem Druck und diesem Gesamtmassestrom durch eine Runddüse mit 0,5 mm Durchmesser und einer Länge von 1,8 mm konnte eine erfindungsgemäße Druckentspannungsrate im Bereich von 80.000 MPa/s der erfindungsgemäß temperierten polymeren Formmasse eingestellt werden.
Es ergab sich in diesem Verfahren ein kontinuierlich extrudierter optisch homogener, teilweise lichtdurchlässiger nanoporöser Polymerschaumstoff mit einer mittleren Schaumdichte von ungefähr 200 kg/m³ und einem mittleren Zelldurchmesser von ungefähr 100 nm. Der Polymerschaumstoff hatte ein bläuliches Erscheinungsbild im Auflicht und schien leicht rötlich im Durchlicht.
Mahlung
Die erhaltenen, nanoporösen Polymerschaumstoffstränge auf Basis von PMMA wurden mit Hilfe einer Fließbettgegenstrahlmühle (Firma Hosokawa Alpine, Typ AFG 200) zu Pulvern gemahlen. Die Mahlung wurde bei Umgebungstemperatur ohne Versprödung des Materials durchgeführt. Dabei wurden Partikelgrößen von ca. 100 μm hergestellt.
Herstellung von Vakuumisolationspaneelen
Zur Herstellung der Vakuumisolationspaneele wurden das gemahlene nanozelluläre Pulver in handelsübliche Vakuumfolie gefüllt, anschließend auf < 3mbar 20 min lang evakuiert und gasdicht verschweißt. Der Innendruck der Panelen nach der Herstellung betrug 2mbar. Die Wärmeleitfähigkeit der Vakuumpaneelen betrug 5 mW/mK.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2006/024010 [0008]
EP 1690770 A [0009]
WO 2004/049539 [0010]
WO 1992/008152 [0010]
WO 2002/012405 [0011]
US 2008/0138609 [0011]
WO 2009/153287 [0012]
US 7249654 [0013]
EP 1690770 [0013]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

DIN 6165 [0015]
DIN 6165 [0022]
DIN 66165 [0023]
DIN 66165 [0027]
DIN 66165 [0028]
DIN 66165 [0029]
DIN 66165 [0029]
DS 5001, 5008 oder 5029 [0044]
ISO 11357-2 [0049]

Claims

Wärmemanagementsystem, insbesondere zur Ausrüstung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb, umfassend mindestens eine Vakuumisolationspaneele, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Vakuumisolationspaneele als Kernmaterial nanoporöse Polymerteilchen, die eine Zellzahl im Bereich von 1.000 bis 100.000 Zellen/mm und eine Dichte im Bereich von 10 bis 350 kg/m³ aufweisen, wobei mindestens 60 Gewichtsprozent der nanoporösen Polymerteilchen in der Siebanalyse nach DIN 6165 eine Partikelgröße kleiner als 100 µm aufweisen, enthält.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kernmaterial der Vakuumisolationspaneele aus einer Mischung 30 bis 100 Gewichtsprozent der nanoporösen Polymerschaumstoffteilchen und 0 bis 70 Gewichtsprozent pyrogener Kieselsäure mit einer spezifischen Oberfläche nach BET im Bereich von 100 bis 500 m²/g und einer mittleren Primärpartikelgröße im Bereich von 1 bis 10 nm besteht.
Wärmemanagementsystem nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die pyrogene Kieselsäure einen Wassergehalt im Bereich von 0,1 bis 15 Gew.-% aufweist..
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die nanoporösen Polymerteilchen aus Polystyrol, Polyurethan, Polymethylmethacrylat (PMMA), Polycarbonat, Styrol-Acrylnitril-Copolymere, Polysulfon, Polyethersulfon, Polyetherimid, Polyurethanen oder Mischungen davon bestehen.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich einen Latentwärmespeicher umfasst.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass es zusätzlich ein Lacksystem umfasst, das aus einer Kombination aus infrarotreflektierenden und infrarottransparenten Pigmenten aufgebaut ist und eine solare Reflexion im Wellenlängenbereich von 300–2400 nm von mindestens 20 % aufweist.
Wärmemanagementsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Glasflächen des Fahrzeugs zusätzlich mit einem transparenten, metallfreien Polymerfilm ausgerüstet sind, der eine Dicke von 30–200 µm, einen Reflexionsgrad von mindestens 50 % im Wellenlängenbereich von 780–1300 nm, einen Reflexionsgrad von höchstens 30 % im Wellenlängenbereich von 1300–2400 nm und einen Transmissionsgrad von mindestens 70 % im Wellenlängenbereich von 380–780 nm aufweist.
Verwendung mindestens eines Vakuumisolationspaneels zur Wärmeisolierung von Fahrzeugen mit Elektroantrieb, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eins der verwendeten Vakuumisolationspaneele als Kernmaterial nanoporöse Polymerteilchen, die eine Zellzahl im Bereich von 1.000 bis 100.000 Zellen/mm und eine Dichte im Bereich von 10 bis 350 kg/m³ aufweisen, wobei mindestens 60 Gewichtsprozent der nanoporösen Polymerteilchen in der Siebanalyse nach DIN 6165 eine Partikelgröße kleiner als 100 µm aufweisen, enthält.