DE102014208555A1

DE102014208555A1 - Verfahren zur Herstellung eines Latentwärmespeichers

Info

Publication number: DE102014208555A1
Application number: DE102014208555.1A
Authority: DE
Inventors: Ludwig Bär; Vladimir Danov; Dieter Most; Jochen Schäfer; Matthias Übler; Stephan Ippisch; Manfred Wohlfahrt
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2015-11-12
Also published as: KR20170005836A; US20170051984A1; EP3116797A1; CN106233087A; WO2015169567A1

Abstract

Es wird ein Verfahren zur Herstellung eines Latentwärmespeichers vorgeschlagen, bei dem ein Phasenwechselmaterial im flüssigen oder festen Aggregatzustand in einen Dosenkörper gefüllt wird und bei dem der mit dem festen oder flüssigen Phasenwechselmaterial befüllte Dosenkörper mittels Umbördeln fluidundurchlässig verschlossen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Latentwärmespeichers.
Nach dem Stand der Technik werden Latentwärmespeicher, die ein Phasenwechselmaterial umfassen, als thermische Energiespeicher eingesetzt. Hierbei bieten Latentwärmespeicher den Vorteil, dass sie thermische Energie (Wärme) verborgen und verlustarm mit vielen Wiederholzyklen über einen längeren Zeitraum speichern.
Herstellungsverfahren für Latentwärmespeicher können Ummantelungen, die das Phasenwechselmaterial des Latentwärmespeichers aufnehmen verwenden. Insbesondere im flüssigen Aggregatzustand des Phasenwechselmaterials ist eine solche Ummantelung zweckmäßig. Typischerweise werden zur Ummantelung Beschichtungen und/oder Polymere eingesetzt. Die nach dem Stand der Technik bekannten Herstellungsverfahren für Latentwärmespeicher, insbesondere Verfahren, die die Phasenwechselmaterialien beschichten und/oder ein Polymer auftragen, sind typischerweise mit hohem technischem Aufwand verbunden und kostenintensiv. Sie verringern folglich den Nutzwert der im Latentwärmespeicher gespeicherten thermischen Energie. Insbesondere für Temperaturen über 100 °C (373,15 K) lassen sich bekannte Ummantelungen beziehungsweise bekannte Latentwärmespeicher nicht einsetzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Herstellung eines Latentwärmespeichers zu verbessern.
Die Aufgabe wird durch ein Verfahren mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 1 und durch einen Latentwärmespeicher mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruches 12 gelöst. In den abhängigen Patentansprüchen werden vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Latentwärmespeichers wird ein Phasenwechselmaterial im flüssigen oder festen Aggregatzustand in einen Dosenkörper gefüllt. Weiterhin wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren der mit dem festen oder flüssigen Phasenwechselmaterial befüllte Dosenkörper mittels Umbördeln fluidundurchlässig verschlossen.
Erfindungsgemäß ermöglicht das Verfahren eine technisch effiziente und kostengünstige Verkapselung eines Phasenwechselmaterials und folglich eine technisch effiziente und kostengünstige Herstellung eines Latentwärmespeichers.
Mit anderen Worten wird das Phasenwechselmaterial im flüssigen oder festen Aggregatzustand, wie bei Getränke- oder Konservendosen üblich, eingedost. Der verschlossene Dosenkörper bildet folglich eine Dose aus. Die Verkapselung des Phasenwechselmaterials erfolgt erfindungsgemäß mittels Umbördeln. Vorteilhafterweise wird durch die erfindungsgemäße Verkapselung des Phasenwechselmaterials mittels Umbördeln ein kostengünstiges und technisch ausgereiftes Verfahren für die Herstellung eines Latentwärmespeichers verwendet. Erfindungsgemäß ist der Latentwärmespeicher fluidundurchlässig, das heißt flüssigkeitsdicht und gasdicht verschlossen. Durch die erfindungsgemäße Eindosung des Phasenwechselmaterials kann der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher auch bei Temperaturen über 100 °C (373,15 K) verwendet werden.
Als Materialien für den Dosenkörper sind beispielsweise vergütete Stahl- und/oder Aluminiumbleche vorgesehen. Bevorzugt ist ein metallischer Dosenkörper, da dieser eine gute und ausreichende thermisch und mechanische Stabilität und Belastbarkeit, sowie eine gute Wärmeleitfähigkeit aufweist.
Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher umfasst wenigstens einen Dosenkörper mit einem innerhalb des Dosenkörpers angeordneten Phasenwechselmaterial, wobei der Dosenkörper mittels Umbördeln fluidundurchlässig verschlossen ist.
Mit anderen Worten wird das Phasenwechselmaterial in einer Dose oder Konservendose verkapselt. Es ergeben sich zum bereits genannten erfindungsgemäßen Verfahren gleichartige und gleichwertige Vorteile.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden das feste Phasenwechselmaterial und der Dosenkörper vor der Befüllung erwärmt und der erwärmte Dosenkörper mit dem durch die Erwärmung verflüssigten Phasenwechselmaterial befüllt.
Mit anderen Worten wird vorteilhafterweise das Phasenwechselmaterial vor der Befüllung des Dosenkörper verflüssigt beziehungsweise geschmolzen und im flüssigen Aggregatzustand in den vorher erwärmten Dosenkörper eingefüllt. Durch die Erwärmung des Dosenkörper wird vorteilhafterweise sichergestellt, dass das Phasenwechselmaterial bei der Einfüllung in den Dosenkörper nicht unmittelbar verfestigt oder erstarrt.
Die Befüllung des Dosenkörpers mit dem verflüssigten Phasenwechselmaterial ist mittels eines Trichters vorgesehen, wobei die Erwärmung des Phasenwechselmaterials innerhalb des Trichters erfolgen kann. Ist das Phasenwechselmaterial annähernd vollständig verflüssigt, so wird durch eine Öffnung des Trichters das Phasenwechselmaterial in den vorher erwärmten Dosenkörper eingefüllt. Hierbei ist eine annähernd gleiche Temperatur für den Dosenkörper und das verflüssigte Phasenwechselmaterial vorgesehen. Insgesamt wird dadurch vorteilhafterweise eine besonders kostengünstige und technisch effiziente Befüllung des Dosenkörpers ermöglicht.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Umbördeln nach Verfestigung des eingefüllten verflüssigten Phasenwechselmaterials.
Vorteilhafterweise wird dadurch sichergestellt, dass der Dosenkörper annähernd vollständig mit dem Phasenwechselmaterial befüllt wird. Der genannte Prozess kann solange wiederholt werden, bis das verfestigte eingefüllte Phasenwechselmaterial annähernd vollständig das gesamte Fassungsvolumen des Dosenkörpers einnimmt. Vorteilhafterweise wird dadurch ein besonders effizienter Latentwärmespeicher ermöglicht.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Dosenkörper mit einem pulverartigen Phasenwechselmaterial befüllt.
Mit anderen Worten wird ein Phasenwechselmaterial, das als Pulver vorliegt, in den Dosenkörper gefüllt. Dadurch wird vorteilhafterweise eine besonders einfache Befüllung des Dosenkörpers ermöglicht. Hierbei ist vorgesehen das pulverartige Phasenwechselmaterial vor dem Verschließen des Dosenkörpers mittels Umbördeln nochmals zu erwärmen. Dadurch werden Einschlüsse von Luft innerhalb des verschlossen Dosenkörpers möglichst vermieden.
Besonders vorteilhaft ist es, den Dosenkörper mittels eines formschlüssigen pelletierten und/oder geformten Phasenwechselmaterials zu befüllen.
Mit anderen Worten wird das Phasenwechselmaterial in seiner geometrischen Form der geometrischen Form des Fassungsvolumens des Dosenkörpers derart angepasst, so dass das pelletierte und/oder geformte Phasenwechselmaterial formschlüssig in den Dosenkörper eingepasst wird. Hierbei liegt das Phasenwechselmaterial beispielsweise tablettenartig, das heißt als gepresste Tablette vor. Die Befüllung des Dosenkörpers erfolgt somit durch das Anordnen des tablettenartigen Phasenwechselmaterials in dem Dosenkörper. Das tablettenartige Phasenwechselmaterial bildet folglich mit einem Innenbereich des Dosenkörpers einen formschlüssigen Abschluss aus, so dass Zwischenräume und somit Lufteinschlüsse innerhalb des verschlossen Dosenkörpers (Dose) vermieden werden. Mit anderen Worten ist das tablettenartige Phasenwechselmaterial einer Innengeometrie des Innenbereiches des Dosenkörpers in seiner geometrischen Form angepasst.
Bei der Befüllung des Dosenkörpers mittels eines pulverartigen Phasenwechselmaterials oder mittels eines pelletierten und/oder geformten Phasenwechselmaterials ist es von Vorteil, das eingefüllte Phasenwechselmaterial und/oder den befüllten Dosenkörper vor dem Umbördeln zu erwärmen, wobei durch die genannte Erwärmung das eingefüllte Phasenwechselmaterial verflüssigt wird.
Mit anderen Worten wird zunächst das pulverartige oder pelletierte und/oder geformte Phasenwechselmaterial in den Dosenkörper gegeben und anschließend durch eine direkte Erwärmung des Phasenwechselmaterials und/oder durch eine indirekte Erwärmung über den Dosenkörper verflüssigt. Vorteilhafterweise wird dadurch sichergestellt, dass das zur Verfügung stehende Fassungsvolumen des Dosenkörpers annähernd vollständig durch das eingefüllte Phasenwechselmaterial ausgefüllt wird. Zudem werden Lufteinschlüsse weitestgehend vermieden.
Insbesondere bei der Verfestigung oder Erstarrung des verflüssigten pulverartigen oder körnigen Phasenwechselmaterials innerhalb des Dosenkörpers verringert sich üblicherweise das Volumen des Phasenwechselmaterials, da Zwischenräume oder Lufteinschlüsse, die sich durch die pulverartige Struktur des Phasenwechselmaterials ausbilden, durch die Verflüssigung des Phasenwechselmaterials reduziert oder annähernd vollständig aufgelöst werden. Dadurch steht innerhalb des Dosenkörpers weiteres Fassungsvolumen zur Verfügung, das beispielsweise mit weiterem Phasenwechselmaterial befüllt werden kann.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden das verflüssigte eingefüllte Phasenwechselmaterial und/oder der befüllte Dosenkörper vor dem Umbördeln abgekühlt, wobei durch die genannte Abkühlung das verflüssigte eingefüllte Phasenwechselmaterial wieder verfestigt wird beziehungsweise erstarrt.
Zweckmäßigerweise wird dadurch der Latentwärmespeicher in einem für eine Weiterbehandlung des Latentwärmespeichers zweckmäßigen Zustand gebracht. Hierbei kann eine wiederholte Erwärmung und Abkühlung vorgesehen sein.
Besonders bevorzugt sind Phasenwechselmaterialen, die wenigstens ein organisches und/oder anorganisches Salz umfassen. Vorteilhafte anorganische Salze sind beispielsweise Metallnitrate, Metallnitrite, Metallchloride und/oder Metallhydroxyde. Als organische Salze sind insbesondere Metallacetate, beispielsweise Natrium- oder Kaliumacetat, vorgesehen. Insbesondere für Temperaturen über 100 °C sind die genannten Salze als Phasenwechselmaterialen von Vorteil.
Weiterhin ist vor dem Umbördeln eine Verdichtung des innerhalb des Dosenkörpers angeordneten Phasenwechselmaterials vorgesehen. Dadurch wird vorteilhafterweise die Wärmekapazität des Latentwärmespeichers verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird der Dosenkörper mit einem Dosenboden und/oder einem Dosendeckel mittels Umbördeln verbunden.
Mit anderen Worten bildet der Dosenkörper in Verbindung mit dem Dosenboden und/oder dem Dosendeckel eine Dose aus. Vorteilhafterweise wird dadurch ein besonders technisch effizientes und kostengünstiges Herstellungsverfahren für einen Latentwärmespeicher geschaffen. Hierbei werden, beispielsweise wie bei einer Getränke- oder Konservendose, der Dosenboden und/oder der Dosendeckel mittels Umbördeln fluidundurchlässig mit dem Dosenkörper verbunden. Es ist zweckmäßig, den Dosenboden vor der Befüllung des Dosenkörpers mit dem Dosenkörper fluidundurchlässig zu verbinden. Weitere Verbundverfahren für den Dosendeckel oder Dosenboden können vorgesehen sein. Insbesondere kann ein Dosenkörper, der bereits einen Dosenboden umfasst vorgesehen sein. Hierbei wird dann nur der Dosendeckel mittels Umbördeln mit Dosenkörper verbunden.
Besonders bevorzugt ist ein Dosenkörper mit einem Aspektverhältnis größer als eins.
Das Aspektverhältnis ist hier als das Verhältnis aus maximaler Ausdehnung des Dosenkörpers zu minimaler Ausdehnung des Dosenkörpers definiert. Bevorzugt ist ein zylinderförmiger Dosenkörper, dessen maximale Ausdehnung durch seinen Durchmesser (Dosenkörperdurchmesser) und dessen minimale Ausdehnung durch seine Höhe (Dosenkörperhöhe) gebildet wird. Insbesondere ist hierbei ein Aspektverhältnis vorgesehen, das wesentlich größer als eins, insbesondere größer als fünf ist. Mit anderen Worten bildet der Dosenkörper beziehungsweise die Dose (verschlossener Dosenkörper) einen abgeflachten Zylinder aus. Durch das gegenüber eins vergrößerte Aspektverhältnis wird die Wärmeübertragung auf das im Dosenkörper angeordnete Phasenwechselmaterial verbessert. Hierdurch wird die Aufnahme und Abgabe von Wärme des Latentwärmespeichers erleichtert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung weist der zylinderförmige Dosenkörper gewalzte Rillen auf.
Vorteilhafterweise wird durch die gewalzten Rillen die mechanische Stabilität des zylinderförmigen Dosenkörpers verbessert. Insbesondere verlaufen die gewalzten Rillen parallel und umschließen den zylinderförmige Dosenkörper kreisförmig.
In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist der Dosenkörper an einer dem Phasenwechselmaterial zugewandten Innenseite eine chemisch inerte Beschichtung auf.
Mit anderen Worten weist die Innenseite des Dosenkörpers eine korrosionsschützende Beschichtung auf, so dass salzhaltige Phasenwechselmaterialen, insbesondere im flüssigen Aggregatzustand, nicht zu einer Korrosion des Dosenkörpers, insbesondere eines metallischen Dosenkörpers, führen. Für den Dosendeckel und/oder Dosenboden ist ebenfalls eine korrosionsschützende, das heißt chemisch inerte Beschichtung vorgesehen.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den im Folgenden beschriebenen Ausführungsbeispielen sowie anhand der Zeichnungen. Dabei zeigen:
1 einen dosenartigen Latentwärmespeicher; und
2 einen Verschluss des Latentwärmespeichers mittels Umbördeln.
Gleichartige Elemente können in den Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen sein.
1 zeigt einen Latentwärmespeicher 1, der eine Dosenkörper 2 umfasst. Hierbei bildet der verschlossene Dosenkörper 2 eine Dose 2 aus. Der Dosenkörper 2 ist über einen Verschluss 42, der mittels Umbördeln gebildet ist, mit einem Dosendeckel 4 fluidundurchlässig verbunden. Ein nicht dargestellter Dosenboden ist ebenfalls mittels Umbördeln mit dem Dosenkörper 2 verbunden.
Innerhalb des Dosenkörpers 2 ist ein nicht dargestelltes Phasenwechselmaterial angeordnet. Der Dosenkörper 2 ist beispielsweise aus Stahlblech oder Aluminiumblech gefertigt und weist ein Aspektverhältnis größer als eins auf. Weitere Bleche oder Materialen für den Dosenkörper 2 sind vorgesehen. Insbesondere Materialen, die chemisch beständig gegenüber salzhaltigen Phasenwechselmaterialen sind, insbesondere im flüssigen Aggregatzustand des Phasenwechselmaterials.
Ferner sind zur Vergrößerung der mechanischen Stabilität des zylinderförmigen Dosenkörper 2 gewalzte Rillen 12 an der Außenseite des Dosenkörpers 2 angeordnet. Hierbei erstrecken sich die gewalzten Rillen 12 kreisförmig um den zylinderförmigen Dosenkörper 2. Der Dosendeckel 4 weist ebenfalls gewalzte Rillen 12 auf, die sich kreisförmig erstrecken und ineinander konzentrisch angeordnet sind.
Der Dosenkörper 2 weist ein Aspektverhältnis größer als eins auf. Vorteilhafterweise wird dadurch der Wärmeübergang von dem Dosenkörper 2 zum innerhalb des Dosenkörpers 2 angeordneten Phasenwechselmaterial verbessert. Als Aspektverhältnis wird hier das Verhältnis aus Dosenkörperdurchmesser 100 zu Dosenkörperhöhe 102 verstanden. Insbesondere ist ein Aspektverhältnis größer als fünf, insbesondere größer als zehn von Vorteil. Zudem können stabförmige, das heißt dünne und längliche Zylinderformen für den Dosenkörper vorgesehen sein.
2 zeigt eine Schnittdarstellung eines Verschlusses 42 zwischen einem Dosenkörper 2 und einem Dosendeckel 4. Hierbei ist der Verschluss 42 mittels Umbördeln gebildet. Der Dosenkörper 2 und der Dosendeckel 4 werden derart gefalzt beziehungsweise geformt und ineinander verschlungen angeordnet, so dass sich eine fluidundurchlässige Verbindung 42 des Dosenkörpers 2 und des Dosendeckels 4 ergibt. Mit anderen Worten bildet der Verschluss 42 einen Doppelfalz aus, wie beispielsweise bei Getränke- oder Konservendosen. Der Dosenkörper 2 und der Dosendeckel 4 weisen hierfür nach der Falzung beziehungsweise nach dem Umbördeln jeweils ein hakenförmiges Ende auf, wobei die genannten zwei hakenförmigen Enden ineinander greifen. Insbesondere kann hierbei für den Verschluss 42 eine formschlüssige Verbindung vorgesehen sein.
An einer Innenseite 6 des Dosenkörpers 2 ist ein Phasenwechselmaterial 10 angeordnet. Mit anderen Worten ist die Dose, die durch den Dosenkörper 2, den Dosendeckeln 4 und einem Dosenboden ausgebildet wird, mit dem Phasenwechselmaterial 10 befüllt. An einer Außenseite 8 kann der Dosenkörper 2 gewalzte Rillen zur Verbesserung der mechanischen Stabilität aufweisen. Insbesondere ist der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher für Temperaturen im Temperaturbereich über 100 °C vorgesehen.
Es wird folglich ein Latentwärmespeicher geschaffen, der kostengünstig herzustellen ist und eine hohe mechanische als auch thermische Stabilität aufweist.
Obwohl die Erfindung im Detail durch die bevorzugten Ausführungsbeispiele näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht durch die offenbarten Beispiele eingeschränkt oder andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Latentwärmespeichers (1), bei dem ein Phasenwechselmaterial (10) im flüssigen oder festen Aggregatzustand in einen Dosenkörper (2) gefüllt wird und bei dem der mit dem festen oder flüssigen Phasenwechselmaterial (10) befüllte Dosenkörper (2) mittels Umbördeln (42) fluidundurchlässig verschlossen wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem das feste Phasenwechselmaterial (10) und der Dosenkörper (2) vor der Befüllung erwärmt werden und bei dem der erwärmte Dosenkörper (2) mit dem durch die Erwärmung verflüssigten Phasenwechselmaterial (10) befüllt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 2, bei dem das Umbördeln (42) nach Verfestigung des eingefüllten verflüssigten Phasenwechselmaterials (10) erfolgt.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Dosenkörper (2) mit einem pulverartigen Phasenwechselmaterial (10) befüllt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 1, bei dem der Dosenkörper (2) mit einem pelletierten und/oder geformten Phasenwechselmaterial (10) befüllt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 5, bei dem der Dosenkörper (2) mit einem gegenüber dem Dosenkörper (2) formschlüssigen pelletierten und/oder geformten Phasenwechselmaterial (10) befüllt wird.
Verfahren gemäß einem der Ansprüche 4 bis 6, bei dem das eingefüllte Phasenwechselmaterial (10) und/oder der befüllte Dosenkörper (2) vor dem Umbördeln (42) erwärmt werden, wobei durch die Erwärmung das eingefüllte Phasenwechselmaterial (10) verflüssigt wird.
Verfahren gemäß Anspruch 7, bei dem das verflüssigte eingefüllte Phasenwechselmaterial (10) und/oder der befüllte Dosenkörper (2) vor dem Umbördeln (42) abgekühlt werden, wobei durch die Abkühlung das verflüssigte eingefüllte Phasenwechselmaterial (10) wieder verfestigt wird.
Verfahren gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, beim dem ein Phasenwechselmaterial (10) verwendet wird, dass wenigstens ein organisches und/oder anorganisches Salz umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorangegangen Ansprüche, bei dem ein Dosenboden und/oder ein Dosendeckel (4) mittels Umbördeln (42) mit dem Dosenkörper (2) verbunden werden.
Verfahren gemäß Anspruch 10, bei dem ein zylinderförmiger Dosenkörper (2) mit einem Aspektverhältnis größer als eins verwendet wird.
Latentwärmespeicher (1), umfassend einen Dosenkörper (2) mit einem innerhalb des Dosenkörpers (2) angeordneten Phasenwechselmaterial (10), dadurch gekennzeichnet, dass der Dosenkörper (2) mittels Umbördeln (42) fluidundurchlässig verschlossen ist.
Latentwärmespeicher (1) gemäß Anspruch 12 mit einem zylinderförmigen Dosenkörper (2), wobei ein Dosenboden und/oder ein Dosendeckel (4) mittels Umbördeln (42) an dem zylinderförmigen Dosenkörper (2) befestigt sind.
Latentwärmespeicher (1) gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zylinderförmige Dosenkörper (2) gewalzte Rillen (12) aufweist.
Latentwärmespeicher (1) gemäß einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Dosenkörper (2) an einer dem Phasenwechselmaterial (10) zugewandten Innenseite (6) eine chemisch inerte Beschichtung aufweist.