DE102020001380B4 - latent heat storage - Google Patents
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Abstract
Latentwärmespeicher mit wenigstens einem, in wenigstens einem Speicher aufgenommenen Phasenwechselmaterial, welches- eine Kristallisationstemperatur (TSchalt-PCM), bei welcher das Phasenwechselmaterial exotherm von einem fluiden Zustand in einen kristallinen Zustand übergeht, und- eine oberhalb der Kristallisationstemperatur (TSchalt-PCM) gelegene Schmelztemperatur (TSchmelz-PCM), bei welcher das Phasenwechselmaterial aus dem kristallinen Zustand in den fluiden Zustand übergeht, aufweist, und mit wenigstens einem Auslösemechanismus zum Auslösen der Kristallisation des Phasenwechselmaterials, wobei der Auslösemechanismus einen Kristallisationskeimbildner umfasst, welcher mit einem mechanischen Betätigungselement (1) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (1) des Auslösemechanismus wenigstens ein Zweiwege-Formgedächtnispolymer enthält oder gänzlich hieraus gebildet ist, welches derart programmiert ist, dass das Betätigungselement (1) zwischen- einer ersten Form, in welcher das Betätigungselement (1) den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt bringt, um dessen Kristallisation auszulösen, und- einer zweiten Form, in welcher das Betätigungselement (1) den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt bringt, reversibel hin und her schaltbar ist, wobei das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes (1) zumindest- eine erste Schalttemperatur (TSchalt-1), in welcher es aus seiner zweiten Form in die erste Form überführt wird, und- eine gegenüber der ersten Schalttemperatur (TSchalt-1) höhere, zweite Schalttemperatur (TSchalt-2), in welcher es aus seiner ersten Form in die zweite Form überführt wird, aufweist.Latent heat storage device with at least one phase change material accommodated in at least one storage device, which has a crystallization temperature (Tswitching PCM) at which the phase change material changes exothermically from a fluid state to a crystalline state, and- a melting temperature above the crystallization temperature (Tswitching PCM). (Tmelting PCM), in which the phase change material changes from the crystalline state to the fluid state, and having at least one triggering mechanism for triggering the crystallization of the phase change material, the triggering mechanism comprising a crystallization nucleating agent which is connected to a mechanical actuating element (1) in Active connection is, characterized in that the actuating element (1) of the triggering mechanism contains at least one two-way shape memory polymer or is formed entirely from it, which is programmed such that the actuating element (1) between a a first mode in which the actuating element (1) brings the nucleating agent into contact with the phase change material to initiate its crystallization, and- a second mode in which the actuating element (1) brings the nucleating agent out of contact with the phase change material, reversibly to and fro is switchable, wherein the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element (1) has at least- a first switching temperature (Tswitching-1), in which it is converted from its second form into the first form, and- one compared to the first switching temperature (Tswitching- 1) higher, second switching temperature (TSwitch-2), in which it is converted from its first form into the second form.
Description
Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher mit wenigstens einem, in wenigstens einem Speicher aufgenommenen Phasenwechselmaterial, welches
- - eine Kristallisationstemperatur, bei welcher das Phasenwechselmaterial exotherm von einem fluiden Zustand in einen kristallinen Zustand übergeht, und
- - eine oberhalb der Kristallisationstemperatur gelegene Schmelztemperatur, bei welcher das Phasenwechselmaterial aus dem kristallinen Zustand in den fluiden Zustand übergeht,
- - a crystallization temperature at which the phase change material exothermically transitions from a fluid state to a crystalline state, and
- - a melting temperature above the crystallization temperature at which the phase change material changes from the crystalline state to the fluid state,
Latentwärmespeicher der vorgenannten Art sind in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt, wobei ihr Wärmespeichervermögen auf einem in einem Speicher aufgenommenen Phasenwechselmaterial beruht, welches die Enthalpie von reversiblen thermodynamischen Zustandsänderungen nutzt. Beispiele solcher, auch als „PCM“ (phase change materials) bezeichneter Phasenwechselmaterialien umfassen vornehmlich, wenngleich nicht ausschließlich, verschiedene Salzhydrate. Die Phasenwechselmaterialien weisen eine relativ hohe Schmelzenthalpie auf, wobei beim „Laden“ des Latentwärmespeichers das Phasenwechselmaterial bei Erreichen seiner Schmelztemperatur von einem festen, üblicherweise kristallinen, Zustand in einen fluiden, insbesondere flüssigen, Zustand übergeht, in welchem Wärme über einen langen Zeitraum gespeichert werden kann. Während des Abkühlens verbleibt das Phasenwechselmaterial dann über einen relativ breiten Temperaturbereich in Form einer unterkühlten Schmelze in einem metastabilen Zustand in flüssiger Phase, bis es seine Kristallisationstemperatur erreicht. Sobald in der unterkühlten Schmelze eine Kristallisation ausgelöst wird, so erwärmt sich das Phasenwechselmaterial infolge der hierbei freiwerdenden Kristallisationswärme, d.h. es geht exotherm von seinem fluiden, insbesondere flüssigen, Zustand in den kristallinen Zustand über. Beispiele für Phasenwechselmaterialien (PCM) auf der Basis von Salzhydraten in Form von Calciumchlorid-Hexahydrat (CaCl2 • 6 H2O), Natriumacetat-Trihydrat (CH3COONa • 3 H2O), Natriumthiosulfat-Pentahydrat (Na2S2O3 • 5 H2O) und Natriumsulfat-Decahydrat (Na2SO4 • 10 H2O) sind gemeinsam mit ihrer Schmelztemperatur (TSchmeiz-PCM), ihrer Schmelzenthalpie (ΔHSchmelz-PCM) und ihrem sich zwischen der Schmelz- und der Kristallisationstemperatur erstreckenden Unterkühlungstemperaturbereich (ΔTU-PCM), in welchem sie während der Abkühlung in ihrem metastabilen, flüssigen Zustand verbleiben, exemplarisch wiedergegeben:
Weitere Beispiele für derartige Phasenwechselmaterialien auf der Basis von Salzhydraten, welchen im Übrigen gegebenenfalls Additive einschließlich Chelatbildnern zugesetzt sein können, umfassen z.B. Kaliumfluorid-Tetrahydrat (KF • 4 H2O) mit einer Schmelztemperatur von 19°C und Lithiumnitrat-Trihydrat (LiNO3 • 3 H2O) mit einer Schmelztemperatur von 29°C.Further examples of such phase change materials based on salt hydrates, to which additives including chelating agents can also be added, include potassium fluoride tetrahydrate (KF • 4 H 2 O) with a melting point of 19° C. and lithium nitrate trihydrate (LiNO 3 • 3 H 2 O) with a melting temperature of 29°C.
Im Zuge des anthropogenen Klimawandels gewinnen Latentwärmespeicher auf der Basis solcher Phasenwechselmaterialen zunehmend an Bedeutung, wobei sie beispielsweise in solarthermischen Anlagen zum Speichern von Solarenergie, für wärmespeichernde Fußboden- und Wandheizelemente, zur energieautarken Temperierung von Transport- und Lagerbehältern bis hin zu Hand- bzw. Taschenwärmern Anwendung finden können.In the course of anthropogenic climate change, latent heat storage systems based on such phase change materials are becoming increasingly important, for example in solar thermal systems for storing solar energy, for heat-storing floor and wall heating elements, for energy self-sufficient temperature control of transport and storage containers through to hand or pocket warmers can find application.
Um die in einem metastabilen Zustand befindliche unterkühlte Schmelze in den kristallinen Zustand zu überführen, so dass die hierbei freiwerdende Kristallisationswärme genutzt werden kann, benötigen gattungsgemäße Latentwärmespeicher einen Auslösemechanismus, mittels welchem die Kristallisation des Phasenwechselmaterials zuverlässig und insbesondere wiederholt initiiert werden kann. Dies geschieht insbesondere durch Zugabe eines Keimbildners, wie beispielsweise durch den Zusatz von Fremdkeimen oder Eigenkeimen in Form eines Anteils des im kristallinen Zustand befindlichen Phasenwechselmaterials, wobei die lokale Bildung von Eigenkeimen des Phasenwechselmaterials z.B. durch eine lokale mechanische Stoßbelastung erzielt werden kann (vgl. z.B. die
Die
Ein Nachteil der bekannten Latentwärmespeicher besteht insbesondere darin, dass ihr Auslösemechanismus die Zufuhr von Energie - sei sie mechanisch oder sei sie elektrisch - erfordert, um eine Kristallisation der unterkühlten Schmelze des Phasenwechselmaterials zu initiieren und die hierbei freiwerdende Wärme nutzen zu können.A particular disadvantage of the known latent heat storage devices is that their triggering mechanism requires the supply of energy—be it mechanical or electrical—in order to initiate crystallization of the supercooled melt of the phase change material and to be able to use the heat released in the process.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, unter zumindest weitestgehender Vermeidung der vorgenannten Nachteile einen einfachen und kostengünstigen Auslösemechanismus für einen Latentwärmespeicher der eingangs genannten Art vorzuschlagen, welcher es ermöglicht, die Kristallisation der unterkühlten Schmelze des Phasenwechselmaterials sowohl in reproduzierbarer als auch insbesondere in energieautarker Weise zu initiieren.The invention is based on the object of proposing a simple and cost-effective triggering mechanism for a latent heat storage device of the type mentioned at the outset, while at least largely avoiding the aforementioned disadvantages, which makes it possible to initiate the crystallization of the supercooled melt of the phase change material both in a reproducible and, in particular, in an energy self-sufficient manner .
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Latentwärmespeicher der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass das Betätigungselement des Auslösemechanismus' wenigstens ein Zweiwege-Formgedächtnispolymer enthält oder gänzlich hieraus gebildet ist, welches derart programmiert ist, dass das Betätigungselement zwischen
- - einer ersten Form, in welcher das Betätigungselement den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt bringt, um dessen Kristallisation auszulösen, und
- - einer zweiten Form, in welcher das Betätigungselement den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt bringt,
- - eine erste Schalttemperatur, in welcher es aus seiner zweiten Form in die erste Form überführt wird, und
- - eine gegenüber der ersten Schalttemperatur höhere, zweite Schalttemperatur, in welcher es aus seiner ersten Form in die zweite Form überführt wird,
- - a first form in which the actuator brings the nucleating agent into contact with the phase change material to induce crystallization thereof, and
- - a second form in which the actuator brings the nucleating agent out of contact with the phase change material,
- - a first switching temperature at which it is transformed from its second form into the first form, and
- - a second switching temperature, which is higher than the first switching temperature, in which it is converted from its first form into the second form,
Bei Formgedächtnispolymeren handelt es sich um Polymere, welche üblicherweise aus wenigstens zwei Polymerkomponenten oder insbesondere aus einer Polymerkomponente mit verschiedenen Segmenten bestehen. Dabei handelt es sich einerseits um „harte“ Segmente, welche auch als Netzpunkte fungieren. Andererseits handelt es sich um „weiche“ Segmente, welche die Netzpunkte miteinander verbinden und als Schaltsegmente wirken sowie auch als solche bezeichnet werden. Die Schaltsegmente sind bei erhöhten Temperaturen amorph bzw. elastisch, während sie bei niedrigeren Temperaturen starr sind (sie liegen in diesem Fall in teilkristalliner oder verglaster Form vor). Derartige Polymere lassen sich hinsichtlich ihrer Formgebung programmieren, indem sie auf eine Temperatur erwärmt werden, welche wenigstens der sogenannten Schalttemperatur entspricht, bei welcher der Phasenübergang (Glasübergang bzw. Schmelzübergang) der Weich- bzw. Schaltsegmente stattfindet. Bei einer solchen Temperatur kann das Polymer dann unter Einwirkung einer Verformungskraft mechanisch verformt werden, wonach es unter Aufrechterhaltung der Verformung auf seine sogenannte Formfixierungstemperatur abgekühlt werden kann, welche der Kristallisationstemperatur bzw. Glasübergangstemperatur der Weich- oder Schaltsegmente entspricht und im Bereich der Schalttemperatur der Formgedächtnispolymere liegen kann, aber demgegenüber üblicherweise zumindest etwas geringer ist. Die Weich- bzw. Schaltsegmente liegen dann wieder in teilkristalliner bzw. verglaster Form vor, so dass die Formgebung erhalten bleibt. Diese Formgebung ist indes insoweit nur temporär, als wenn ein solchermaßen „programmiertes“, also mechanisch verformtes, Formgedächtnispolymer auf eine bestimmte Temperatur, nämlich auf seine Schalttemperatur, erwärmt wird, die weichen Segmente (Schaltsegmente) wieder in ihre amorphe bzw. flexible Form überführt werden, so dass sie der durch die harte Komponente (Netzpunkte) induzierten entropieelastischen Rückstellkraft nicht mehr entgegenwirken können und das Formgedächtnispolymer wieder seine ursprüngliche Form einnimmt, die mechanische Verformung also „rückgängig“ gemacht wird, ohne dass hierzu eine neuerliche Krafteinwirkung erforderlich wäre. Ferner besteht oft auch die Möglichkeit einer Programmierung durch Kaltverformung, indem die Formgedächtnispolymere bei einer Temperatur unterhalb ihrer Schalttemperatur, z.B. bei Umgebungstemperatur, verformt werden können und gegebenenfalls, sofern die Formfixierungstemperatur demgegenüber geringer ist, auf ihre Formfixierungstemperatur abgekühlt werden. Auch in diesem Fall findet insoweit eine nur temporäre Verformung statt, als bei einer abermaligen Erwärmung zumindest auf die Schalttemperatur, um die weichen Segmente (Schaltsegmente) in die amorphe bzw. flexible Phase zu überführen und dabei die anlässlich der Kaltverformung induzierten mechanischen Spannungen zu relaxieren, eine Rückverformung stattfindet, ohne erneut eine Verformungskraft aufbringen zu müssen.Shape memory polymers are polymers which usually consist of at least two polymer components or, in particular, of one polymer component with different segments. On the one hand, these are "hard" segments that also function as network points. On the other hand, there are "soft" segments that connect the network points with each other and act as switching segments and are also referred to as such. The switching segments are amorphous or elastic at elevated temperatures, while rigid at lower temperatures (they are in semi-crystalline or vitrified form in this case). Such polymers can be programmed in terms of their shape by being heated to a temperature which corresponds at least to the so-called switching temperature at which the phase transition (glass transition or melting transition) of the soft or switching segments takes place. At such a temperature, the polymer can then under Einwir effect of a deformation force, after which it can be cooled to its so-called shape-fixing temperature while maintaining the deformation, which corresponds to the crystallization temperature or glass transition temperature of the soft or switching segments and can be in the range of the switching temperature of the shape memory polymers, but is usually at least slightly lower in comparison . The soft or switching segments are then again in a partially crystalline or vitrified form, so that the shape is retained. However, this shaping is only temporary insofar as when a shape memory polymer that is “programmed” in this way, i.e. mechanically deformed, is heated to a certain temperature, namely to its switching temperature, the soft segments (switching segments) are converted back into their amorphous or flexible form , so that they can no longer counteract the entropy-elastic restoring force induced by the hard component (network points) and the shape-memory polymer resumes its original shape, i.e. the mechanical deformation is "reversed" without the need for a new force to be applied. Furthermore, there is often also the possibility of programming by cold deformation, in that the shape memory polymers can be deformed at a temperature below their switching temperature, eg at ambient temperature, and optionally, if the shape-fixing temperature is lower than this, can be cooled to their shape-fixing temperature. In this case, too, only temporary deformation takes place insofar as repeated heating at least to the switching temperature in order to convert the soft segments (switching segments) into the amorphous or flexible phase and thereby relax the mechanical stresses induced during the cold deformation, recovery takes place without having to apply a deformation force again.
Neben einem solchen Formgedächtnis weisen thermoresponsive Polymere in der Regel auch ein Temperaturgedächtnis auf. Hierunter wird verstanden, dass bei einem Auslösen des Formgedächtniseffektes die Formrückstellung etwa bei derjenigen Temperatur einsetzt, bei welcher zuvor die mechanische Verformung in das Material eingebracht worden ist. Ein derartiges Materialverhalten weisen beispielsweise Formgedächtnispolymere mit semikristallinen Netzwerkstrukturen auf, wie thermoplastische Polyurethan-Elastomere (N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47, 2014, 5952-5959; N. Mirtschin, T. Pretsch in RSC Advances _5, 2015, 46307-46315).In addition to such a shape memory, thermoresponsive polymers usually also have a temperature memory. This is understood to mean that when the shape memory effect is triggered, the shape recovery begins at about the temperature at which the mechanical deformation was previously introduced into the material. Such material behavior is exhibited, for example, by shape memory polymers with semi-crystalline network structures, such as thermoplastic polyurethane elastomers (N. Fritzsche, T. Pretsch in Macromolecules 47, 2014, 5952-5959; N. Mirtschin, T. Pretsch in RSC Advances _5, 2015, 46307- 46315).
Darüber hinaus sind Formgedächtnispolymere bekannt, welche Zweiwege-Formgedächtniseigenschaften aufweisen und folglich thermoreversibel geschaltet werden können, wobei die Schaltsegmente solcher Zweiwege-Formgedächtnispolymere beim Übergang zwischen ihrem vornehmlich teilkristallinen Zustand und ihrem vornehmlich amorphen bzw. flexiblen Zustand eine Formänderung derart erfahren, dass sie einerseits mittels Abkühlen des Polymers unter die Kristallisationstemperatur, welche im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als „erste Schalttemperatur“ bezeichnet wird, andererseits mittels Erwärmen des Polymers in den Schalttemperaturbereich, welcher im Rahmen der vorliegenden Offenbarung als „zweite Schalttemperatur“ bezeichnet wird, reversibel zwischen ihrer permanenten Form und ihrer temporären Form hin und her geschaltet werden können, d.h. das entsprechend programmierte Zweiwege-Formgedächtnispolymer verformt sich bei entsprechender Temperaturführung selbsttätig hin und her. Derartige Zweiwege-Formgedächtnispolymere sind z.B. aus T. Pretsch, M. Bothe: „Bidirectional actuation of a thermoplastic polyurethane elastomer“, Journal of Materials Chemistry A, 46 (2013), 14.491-14.497, oder aus M. Bothe, T. Pretsch: „Two-way shape changes of a shape-memory poly(ester urethane)“, Macromol. Chem. Phys. 213 (2012), 2378-2385) bekannt. In addition, shape-memory polymers are known which have two-way shape-memory properties and can therefore be switched thermoreversibly, with the switching segments of such two-way shape-memory polymers undergoing a change in shape during the transition between their primarily partially crystalline state and their primarily amorphous or flexible state such that on the one hand they can be changed by cooling of the polymer below the crystallization temperature, which is referred to as the "first switching temperature" in the context of the present disclosure, on the other hand, by heating the polymer in the switching temperature range, which is referred to as the "second switching temperature" in the context of the present disclosure, reversibly between its permanent shape and its temporary shape can be switched back and forth, ie the correspondingly programmed two-way shape memory polymer automatically deforms back and forth with the appropriate temperature control. Such two-way shape memory polymers are, for example, from T. Pretsch, M. Bothe: "Bidirectional actuation of a thermoplastic polyurethane elastomer", Journal of Materials Chemistry A, 46 (2013), 14.491-14.497, or from M. Bothe, T. Pretsch: "Two-way shape changes of a shape-memory poly(ester urethane)", Macromol. Chem. Phys. 213 (2012), 2378-2385).
Die Hin- und Herverformung solcher Zweiwege-Formgedächtnispolymere kann einerseits mehr oder minder rein temperaturinduziert vonstatten gehen, ohne dass hierzu Verformungskräfte aufgebracht werden müssen. Wie weiter unten noch näher erläutert, sind darüber hinaus Zweiwege-Formgedächtnispolymere bekannt, welche ihre Zweiwege-Formgedächtniseigenschaften insbesondere unter Einwirkung einer permanenten mechanischen Vorbelastung, wie infolge eines permanenten Druckes, entfalten, so dass sie unter einer permanenten Spannung stehen, um die Kristallisation der Weichsegmente während der Abkühlung zu begünstigen, wie es beispielsweise aus dem Aufsatz von M. Bothe, T. Pretsch: „Two-Way Shape Changes of a Shape Memory Poly(ester urethane) ‟ in Macromol. Chem. Phys. 213 (2012), 213, 2378-2385 bekannt ist.The back and forth deformation of such two-way shape memory polymers can, on the one hand, take place more or less purely temperature-induced, without deformation forces having to be applied for this purpose. As explained in more detail below, two-way shape-memory polymers are also known which develop their two-way shape-memory properties in particular under the influence of a permanent mechanical preload, such as as a result of permanent pressure, so that they are under permanent tension in order to crystallize the soft segments to favor during cooling, as for example from the article by M. Bothe, T. Pretsch: "Two-Way Shape Changes of a Shape Memory Poly(ester urethane)" in Macromol. Chem. Phys. 213 (2012), 213, 2378-2385.
Die Erfindung sieht nun vor, dass das mechanische Betätigungselement des Auslösemechanismus' des Latentwärmespeichers ein solches Zweiwege-Formgedächtnispolymer enthält oder im Wesentlichen gänzlich hieraus gebildet ist, wobei das Zweiwege-Formgedächtnispolymer des mechanischen Betätigungselementes derart programmiert ist, dass es zumindest zwischen
- - einer ersten Form, in welcher das Betätigungselement den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt bringt, um dessen Kristallisation auszulösen, und
- - einer zweiten Form, in welcher das Betätigungselement den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt bringt,
- - eine erste Schalttemperatur, in welcher es aus seiner zweiten Form, in welcher das Betätigungselement den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt bringt, in die erste Form überführt wird, und
- - eine gegenüber der ersten Schalttemperatur höhere, zweite Schalttemperatur, in welcher es aus seiner ersten Form, in welcher das Betätigungselement den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt bringt, um dessen Kristallisation auszulösen, in die zweite Form überführt wird.
- - a first form in which the actuator brings the nucleating agent into contact with the phase change material to induce crystallization thereof, and
- - a second form in which the actuator brings the nucleating agent out of contact with the phase change material,
- - a first switching temperature in which it is transformed from its second form, in which the actuator displaces the nucleating agent out of contact with the phase change material, into the first form, and
- - a second switching temperature, higher than the first switching temperature, in which it is converted from its first form, in which the actuating element brings the nucleating agent into contact with the phase change material in order to trigger its crystallization, into the second form.
Auf diese Weise ist in das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes des Auslösemechanismus' eine rein temperaturabhängige und energieautarke, reversible Formänderung zwischen seiner ersten Form und seiner zweiten Form derart einprogrammiert, dass einerseits bei niedrigen Temperaturen (z.B. nachts), sobald sich das Zweiwege-Formgedächtnispolymer unterhalb seiner ersten Schalttemperatur, bei welcher sich das Zweiwege-Formgedächtnispolymer in seiner ersten Form befindet, infolge Kontaktes des Kristallisationskeimbildners mit dem in dem Speicher aufgenommenen Phasenwechselmaterial, wenn letzteres in Form einer unterkühlten Schmelze in einem metastabilen Zustand in flüssiger Phase vorliegt, die exotherme Kristallisation des Phasenwechselmaterials reproduzierbar ausgelöst werden kann. Andererseits wird bei demgegenüber höheren Temperaturen (z.B. tagsüber) oberhalb der zweiten Schalttemperatur, bei welcher sich das Zweiwege-Formgedächtnispolymer in seiner zweiten Form befindet, der Kristallisationskeimbildner außer Kontakt mit dem nunmehr geschmolzenen, in flüssiger Phase vorliegenden Phasenwechselmaterial gebracht, so dass letzteres bei seiner anschließenden Abkühlung wieder in einen metastabilen, unterkühlten Zustand überführt wird, in welchem es bei Erreichen der ersten Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers aufgrund dessen damit einhergehenden Überführung von seiner zweiten in seine erste Form abermals kristallisiert werden kann, um die Kristallisationswärme freizusetzen.In this way, a purely temperature-dependent and energy-autonomous, reversible change in shape between its first form and its second form is programmed into the at least one two-way shape-memory polymer of the actuating element of the triggering mechanism in such a way that, on the one hand, at low temperatures (e.g. at night), as soon as the two-way Shape memory polymer below its first switching temperature, at which the two-way shape memory polymer is in its first form, as a result of contact of the crystallization nucleating agent with the phase change material accommodated in the reservoir when the latter is in the form of a supercooled melt in a metastable liquid phase state, the exothermic crystallization of the phase change material can be triggered reproducibly. On the other hand, at higher temperatures (e.g. during the day) above the second switching temperature, at which the two-way shape memory polymer is in its second form, the crystallization nucleating agent is brought out of contact with the now molten phase change material present in the liquid phase, so that the latter during its subsequent Cooling is converted back into a metastable, supercooled state in which it can be crystallized again when the first switching temperature of the two-way shape memory polymer is reached due to the concomitant conversion from its second to its first form in order to release the heat of crystallization.
Wie bereits angedeutet, kann das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes des Auslösemechanismus' des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers im Wesentlichen nicht mechanisch vorbelastet sein, wobei in das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes eine rein temperaturabhängige und ohne Einwirkung von äußeren Kräften vonstatten gehende, reversible Formänderung zwischen seiner ersten Form und seiner zweiten Form einprogrammiert ist. Eine solche Ausgestaltung bietet sich insbesondere für portable Anwendungen des Latentwärmespeichers mit möglichst geringem Eigengewicht an. Stattdessen kann je nach Art des für das Betätigungselement des Auslösemechanismus' eingesetzten Zweiwege-Formgedächtnispolymers auch vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes des Auslösemechanismus' mechanisch unter einer permanenten Spannung steht, wobei zur Erzeugung einer solchen permanenten Spannung insbesondere die Gravitation wenigstens einer auf das Betätigungselement einwirkenden Flächenlast, Federn oder dergleichen dienen können, so dass die permanente mechanische Vorbelastung zur Begünstigung des Zweiwege-Formgedächtniseffektes gleichfalls keinerlei äußere Energiezufuhr erfordert.As already indicated, the at least one two-way shape-memory polymer of the actuating element of the triggering mechanism of the latent heat storage device according to the invention can essentially not be mechanically preloaded, with a purely temperature-dependent and reversible shape change taking place without the action of external forces in the at least one two-way shape-memory polymer of the actuating element programmed between its first form and its second form. Such a configuration is particularly suitable for portable applications of the latent heat storage device with the lowest possible intrinsic weight. Instead, depending on the type of two-way shape memory polymer used for the actuating element of the triggering mechanism, it can also be provided that the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element of the triggering mechanism is mechanically under permanent tension, with gravity in particular being used to generate such a permanent tension a surface load acting on the actuating element, springs or the like, so that the permanent mechanical preloading to promote the two-way shape memory effect also requires no external energy supply.
Neben bekannten Anwendungen gattungsgemäßer Latentwärmespeicher, wie beispielsweise in der Bauindustrie, eröffnet die erfindungsgemäße Ausgestaltung des energieautarken Auslösemechanismus' dem Latentwärmespeicher neue, umweltfreundliche Anwendungsbereiche, wie z.B. für temperierte Transport- und Lagerbehälter etc., wobei die Schalttemperaturen des Zweiwege-Formgedächtnispolymeres des Betätigungselementes des Auslösemechanismus' gezielt sowohl an die Schmelz- und Kristallisationstemperatur sowie insbesondere an den Unterkühlungstemperaturbereich des Phasenwechselmaterials als auch an die Soll-Temperaturen des Latentwärmespeichers angepasst werden können, innerhalb derer eine Aufheizung ausgelöst bzw. Wärme gespeichert werden soll.In addition to known applications of generic latent heat storage, such as in the construction industry, the inventive design of the energy self-sufficient triggering mechanism opens up new, environmentally friendly areas of application for the latent heat storage device, such as for temperature-controlled transport and storage containers, etc., with the switching temperatures of the two-way shape memory polymer of the actuating element of the triggering mechanism' can be specifically adapted both to the melting and crystallization temperature and in particular to the supercooling temperature range of the phase change material and to the target temperatures of the latent heat storage device, within which heating is to be triggered or heat is to be stored.
Gemäß einer Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Kristallisationskeimbildner oberflächig auf das Betätigungselement des Auslösemechanismus' aufgebracht und/oder in dieses eindispergiert ist, so dass infolge eines Inkontaktbringens des an dem Betätigungselement selbst immobilisierten Kristallisationskeimbildners mit dem Phasenwechselmaterial, wenn sich das Betätigungselement in seiner ersten Form befindet (das Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes befindet sich unterhalb seiner ersten Schalttemperatur), das im metastabilen, flüssigen Unterkühlungszustand vorliegende Phasenwechselmaterial in die feste Phase überführt bzw. kristallisiert werden kann. Alternativ oder zusätzlich kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Kristallisationskeimbildner zumindest oberflächig auf ein stationäres oder verlagerbares Element aufgebracht und/oder in dieses eindispergiert ist, wobei das stationäre oder verlagerbare Element mittels des Betätigungselementes mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt und außer Kontakt bringbar ist. Das Betätigungselement vermag in diesem Fall, wenn es z.B. von seiner zweiten (oder ersten) Form in seine erste (oder zweite) Form überführt wird, indem es auf seine erste Schalttemperatur abgekühlt (oder auf seine zweite Schalttemperatur erwärmt) worden ist, das mit dem Kristallisationskeimbildner versehene, stationäre oder verlagerbare Element, z.B. als Teil des Speichers oder des Betätigungselementes selbst, mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt (oder außer Kontakt) zu bringen, indem es z.B. den auf das stationäre oder verlagerbare Element aufgebrachten Kristallisationskeimbildner abdeckt bzw. freigibt, oder indem es das verlagerbare Element in eine erste bzw. zweite Position versetzt, in welcher der Kristallisationskeimbilder mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt bzw. nicht in Kontakt steht.According to one embodiment, it can be provided, for example, that the crystallization nucleating agent is applied to the surface of the actuating element of the triggering mechanism and/or dispersed into it, so that as a result of the crystallization nucleating agent immobilized on the actuating element itself being brought into contact with the phase change material when the actuating element is in its first Shape is (the two-way shape memory polymer of the actuator is below its first switching temperature), which was in the metastable liquid supercooled state lowing phase change material can be transferred or crystallized into the solid phase. Alternatively or additionally, it can be provided, for example, that the crystallization nucleating agent is applied at least to the surface of a stationary or displaceable element and/or dispersed into it, the stationary or displaceable element being able to be brought into and out of contact with the phase change material by means of the actuating element. In this case, the actuating element is able, if it is converted from its second (or first) shape into its first (or second) shape, for example by being cooled to its first switching temperature (or heated to its second switching temperature), with the Bringing nucleating agent provided, stationary or displaceable element, e.g. as part of the reservoir or the actuating element itself, into contact (or out of contact) with the phase change material, e.g. by covering or exposing the nucleating agent applied to the stationary or displaceable element, or by it places the displaceable element in a first and second position, respectively, in which the nucleation agent is in contact and not in contact with the phase change material.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann beispielsweise vorgesehen sein, dass der Kristallisationskeimbildner in einer separaten Kammer immobilisiert ist, welche mittels des Betätigungselementes mit dem das Phasenwechselmaterial aufnehmenden Speicher verbindbar und von diesem trennbar ist. Das Betätigungselement vermag folglich, wenn es z.B. von seiner zweiten (oder ersten) Form in seine erste (oder zweite) Form überführt wird, indem es auf seine erste Schalttemperatur abgekühlt (oder auf seine zweite Schalttemperatur erwärmt) worden ist, die den Kristallisationskeimbildner aufnehmende Kammer mit dem das Phasenwechselmaterial aufnehmenden Speicher zu verbinden (oder die den Kristallisationskeimbildner aufnehmende Kammer von dem das Phasenwechselmaterial aufnehmenden Speicher zu trennen).According to a further embodiment, provision can be made, for example, for the crystallization nucleating agent to be immobilized in a separate chamber which can be connected to and separated from the reservoir accommodating the phase change material by means of the actuating element. The actuating element can consequently, when it is converted from its second (or first) shape to its first (or second) shape, for example by having been cooled to its first switching temperature (or heated to its second switching temperature), the chamber containing the nucleating agent to the reservoir holding the phase change material (or to separate the chamber holding the nucleating agent from the reservoir holding the phase change material).
Zu diesem Zweck kann das Betätigungselement z.B.
- - in seiner ersten Form, in welcher es den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt bringt, um dessen Kristallisation auszulösen, wenigstens einen Durchlasskanal aufweisen, so dass beispielsweise das in dem Speicher aufgenommene Phasenwechselmaterial über den Durchlasskanal mit dem in der Kammer aufgenommenen Kristallisationskeimbildner in Kontakt steht), und
- - in seiner zweiten Form, in welcher es den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt bringt, keinen Durchlasskanal aufweist, so dass beispielsweise das in dem Speicher aufgenommene Phasenwechselmaterial durch das Betätigungselement selbst oder durch ein von diesem betätigtes, verlagerbares Element von dem in der Kammer aufgenommenen Kristallisationskeimbildner getrennt ist.
- - in its first form, in which it brings the nucleating agent into contact with the phase change material in order to trigger its crystallization, have at least one through-channel, so that, for example, the phase-change material received in the reservoir is in contact with the nucleating agent received in the chamber via the through-channel ), and
- - in its second form, in which it brings the crystallization nucleating agent out of contact with the phase change material, has no passage channel, so that, for example, the phase change material accommodated in the reservoir can be separated from that accommodated in the chamber by the actuating element itself or by a displaceable element actuated by it Crystal nucleating agent is separated.
Alternativ oder zusätzlich kann zu diesem Zweck z.B. vorgesehen sein, dass das Betätigungselement
- - in seiner ersten Form, in welcher es den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt bringt, um dessen Kristallisation auszulösen, andere Außenabmessungen und/oder wenigstens eine andere Erstreckungsebene aufweist als
- - in seiner zweiten Form, in welcher es den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt bringt.
- - in its first form, in which it brings the nucleating agent into contact with the phase change material to induce crystallization thereof, has different external dimensions and/or at least one different plane of extent than
- - in its second form, in which it takes the nucleating agent out of contact with the phase change material.
So ist es in diesem Fall beispielsweise denkbar, dass das Betätigungselement in seiner ersten Form „geschrumpft“ ist, also kleinere Außenabmessungen aufweist als in seiner zweiten Form, in welcher es „gestreckt“ ist, um z. B. das in dem Speicher aufgenommene Phasenwechselmaterial mit dem in der Kammer aufgenommenen Kristallisationskeimbildner in Kontakt zu bringen oder von diesem zu trennen.In this case, for example, it is conceivable that the actuating element has "shrunk" in its first form, i.e. has smaller external dimensions than in its second form, in which it is "stretched" to z. B. to bring the phase change material accommodated in the reservoir into contact with or separate from the nucleating agent accommodated in the chamber.
Das Betätigungselement des Auslösemechanismus' kann dabei eine beliebige Ausgestaltung besitzen, damit es seine ihm zugedachte Funktion zu erfüllen vermag, wobei es im Falle einer in herstellungstechnischer Hinsicht sehr einfachen und kostengünstigen Ausgestaltung z.B. im Wesentlichen folien- oder plattenförmig oder im Wesentlichen nach Art eines Stempels ausgebildet sein kann.The actuating element of the triggering mechanism can have any configuration so that it can fulfill its intended function. In the case of a very simple and cost-effective configuration in terms of production technology, it is essentially foil-shaped or plate-shaped or essentially designed like a stamp can be.
Als Kristallisationskeimbildner, welcher - wie oben erwähnt - beispielsweise zumindest oberflächig auf das Betätigungselement des Auslösemechanismus' aufgebracht und/oder in dieses eindispergiert oder auch in einer separaten, dem das Phasenwechselmaterial aufnehmenden Speicher zugeordneten Kammer angeordnet sein kann, kommen grundsätzlich beliebige, insbesondere pulver- oder partikelförmige Feststoffe in Betracht, welche zur Initiierung einer Kristallisation der im metastabilen, unterkühlten Zustand befindlichen Schmelze des Phasenwechselmaterials geeignet sind, wobei der Kristallisationskeimbildner beispielsweise von Fremdkeimen oder von einem Anteil des Phasenwechselmaterials, welcher permanent mit Fremdkeimen in Verbindung steht, gebildet sein kann.As a crystallization nucleating agent, which - as mentioned above - can be applied, for example, at least to the surface of the actuating element of the triggering mechanism and/or dispersed into it or can also be arranged in a separate chamber assigned to the reservoir accommodating the phase change material, any material, in particular powder or particulate solids into consideration, which are suitable for initiating crystallization of the melt of the phase change material in the metastable, supercooled state, the crystallization nucleating agent, for example by foreign germs or by a portion of the phase change material which is permanently associated with foreign germs.
In Bezug auf die Abkühlung des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Betätigungselementes des Auslösemechanismus' des Latentwärmespeichers auf dessen erste Schalttemperatur, um es von seiner zweiten Form in die erste Form zu überführen, in welcher es den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt bringt, kann einerseits vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes aufgrund der Umgebungstemperatur passiv auf seine erste Schalttemperatur bringbar ist, d.h. die Überführung des Betätigungselementes von seiner zweiten Form in die erste Form erfolgt allein aufgrund einer passiven Abkühlung zumindest des Betätigungselementes oder auch des gesamten Latentwärmespeichers zumindest auf die erste Schalttemperatur seines wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers, um die Kristallisation des im metastabilen, unterkühlten Zustand vorliegenden Phasenwechselmaterials auszulösen und die exotherme Kristallisationswärme zu nutzen. Alternativ oder zusätzlich kann vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes mittels einer ihm zugeordneten Kühleinrichtung aktiv auf seine erste Schalttemperatur, in welcher es aus seiner zweiten Form in die erste Form überführt wird, bringbar ist. Im letztgenannten Fall besteht zusätzlich die Möglichkeit einer bedarfsweisen Kristallisation des gleichfalls bereits im metastabilen, unterkühlten Zustand vorliegenden Phasenwechselmaterials bei Umgebungstemperaturen oberhalb der ersten Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Betätigungselementes, indem dieses mittels der Kühleinrichtung aktiv auf die erste Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers abgekühlt wird, um die Kristallisation des im metastabilen, unterkühlten Zustand vorliegenden Phasenwechselmaterials auszulösen und die exotherme Kristallisationswärme zu nutzen. Die Kühleinrichtung kann grundsätzlich in beliebiger bekannter Weise ausgestaltet sein, wobei es sich beispielsweise um eine elektrische Kühleinrichtung handeln kann.With regard to the cooling of the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element of the triggering mechanism of the latent heat storage device to its first switching temperature in order to convert it from its second form to the first form, in which it brings the crystallization nucleating agent into contact with the phase change material, on the one hand It can be provided that the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element can be brought passively to its first switching temperature due to the ambient temperature, i.e. the actuating element is converted from its second shape into the first shape solely as a result of passive cooling of at least the actuating element or the entire latent heat accumulator at least to the first switching temperature of its at least one two-way shape memory polymer in order to trigger the crystallization of the phase change material present in the metastable, supercooled state and the exothermic crystal to use heat of insulation. Alternatively or additionally, it can be provided that the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element can be actively brought to its first switching temperature, in which it is converted from its second shape into the first shape, by means of a cooling device assigned to it. In the latter case, there is also the possibility of crystallization, if required, of the phase change material, which is also already in the metastable, supercooled state, at ambient temperatures above the first switching temperature of the two-way shape memory polymer of the actuating element, in that this is actively cooled to the first switching temperature of the two-way shape memory polymer by means of the cooling device, to induce crystallization of the phase change material present in the metastable, supercooled state and to utilize the exothermic heat of crystallization. In principle, the cooling device can be designed in any known manner, which can be, for example, an electrical cooling device.
Während die Erwärmung des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Betätigungselementes auf dessen zweite Schalttemperatur sowie auch die Erwärmung des in dem Speicher aufgenommenen Phasenwechselmaterials zumindest auf dessen Schmelztemperatur oder auch auf eine demgegenüber zumindest geringfügig höhere Regenerationstemperatur des Phasenwechselmaterials, bei welcher sichergestellt ist, dass das Phasenwechselmaterial vollständige in die schmelzflüssige Phase überführt worden ist und keine Kristalle mehr vorhanden sind, grundsätzlich auch rein aufgrund der Umgebungstemperaturen des Latentwärmespeichers stattfinden können, kann gemäß einer Weiterbildung ferner vorgesehen sein, dass dem das Phasenwechselmaterial aufnehmenden Speicher eine Heizeinrichtung zugeordnet ist, um das Phasenwechselmaterial zu Regenerationszwecken auf eine Regenerationstemperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur zu erwärmen. Bei der Heizeinrichtung kann es sich um eine beliebige bekannte Heizeinrichtung handeln, wie z.B. eine elektrische, Hochfrequenz-Heizeinrichtung oder dergleichen, wobei die Heizeinrichtung insbesondere ihrerseits energieautark sein und beispielsweise von thermischer Solarenergie betrieben sein kann, sofern der Latentwärmespeicher zu Heizzwecken eines Gebäudes oder dergleichen dient.While the heating of the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element to its second switching temperature and also the heating of the phase change material accommodated in the reservoir at least to its melting temperature or also to a regeneration temperature of the phase change material that is at least slightly higher than this, at which it is ensured that the phase change material is completely has been transferred to the molten phase and there are no longer any crystals, can in principle also take place purely due to the ambient temperatures of the latent heat storage device, according to a further development it can also be provided that the storage device accommodating the phase change material is assigned a heating device in order to heat up the phase change material for regeneration purposes to heat a regeneration temperature above its melting temperature. The heating device can be any known heating device, such as an electric, high-frequency heating device or the like, with the heating device in particular being self-sufficient in terms of energy and being operated by thermal solar energy, for example, if the latent heat storage device is used to heat a building or the like .
Die Schalttemperaturen des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Betätigungselementes des Auslösemechanismus' des Latentwärmespeichers sollten zweckmäßigerweise einerseits an die Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials, andererseits an dessen Kristallisationstemperatur - oder genauer: an dessen Unterkühlungstemperaturbereich zwischen der Schmelz- und der Kristallisationstemperatur, in welchem es in Form einer unterkühlten Schmelze in einem metastabilen Zustand in flüssiger Phase vorliegt - angepasst sein. Das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes weist hierbei vorzugsweise einerseits eine erste („kalte“) Schalttemperatur auf, bei welcher es aus seiner zweiten Form, in welcher das Betätigungselement den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt bringt, in die erste Form überführt bzw. geschaltet wird, in welcher das Betätigungselement den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt bringt, um dessen Kristallisation auszulösen, wobei diese erste Schalttemperatur zwischen der Schmelztemperatur und der Kristallisationstemperatur, also im metastabilen Unterkühlungsbereich des Phasenwechselmaterials, liegt. Die Temperatur, bei welcher der Latentwärmespeicher die in dem Phasenwechselmaterial gespeicherte Wärme freisetzt, kann auf diese Weise durch entsprechende Einstellung der ersten Schalttemperatur des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Betätigungselementes des Auslösemechanismus gezielt in reproduzierbarer Weise voreingestellt werden, wobei die erste Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers insbesondere über den gesamten Unterkühlungstemperaturbereich des jeweiligen Phasenwechselmaterials frei gewählt werden kann.The switching temperatures of the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element of the triggering mechanism of the latent heat store should expediently be adjusted to the melting temperature of the phase change material on the one hand and to its crystallization temperature on the other hand - or more precisely: to its supercooling temperature range between the melting and the crystallization temperature, in which it is supercooled in the form of a supercooled melt is present in a metastable state in the liquid phase - be adjusted. The at least one two-way shape memory polymer of the actuating element preferably has a first (“cold”) switching temperature at which it is converted from its second form, in which the actuating element brings the crystallization nucleating agent out of contact with the phase change material, into the first form or is switched, in which the actuating element brings the crystallization nucleating agent into contact with the phase change material in order to trigger its crystallization, this first switching temperature being between the melting temperature and the crystallization temperature, i.e. in the metastable supercooling range of the phase change material. The temperature at which the latent heat accumulator releases the heat stored in the phase change material can be preset in a reproducible manner in a targeted manner by appropriately setting the first switching temperature of the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element of the triggering mechanism, the first switching temperature of the two-way shape memory polymer can be chosen freely, in particular over the entire supercooling temperature range of the respective phase change material.
Andererseits weist das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes hierbei vorzugsweise eine gegenüber der ersten („kalten“) Schalttemperatur höhere, zweite („warme“) Schalttemperatur auf, bei welcher es aus seiner ersten Form, in welcher das Betätigungselement den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial in Kontakt bringt, um dessen Kristallisation auszulösen, in die zweite Form überführt bzw. zurück geschaltet wird, in welcher das Betätigungselement den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt bringt, wobei diese zweite Schalttemperatur unterhalb der Regenerationstemperatur, insbesondere unterhalb der Schmelztemperatur, aber näher an der Schmelztemperatur als an der Kristallisationstemperatur, des Phasenwechselmaterials liegt. Sofern dem das Phasenwechselmaterial aufnehmenden Speicher des Latentwärmespeichers keine Heizeinrichtung zur Regenerierung des Phasenwechselmaterials zugeordnet ist und das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes folglich rein aufgrund der Umgebungstemperatur bzw. der Temperatur des Phasenwechselmaterials auf seine zweite Schalttemperatur erwärmt wird, so sollte die („warme“) zweite Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Betätigungselementes mit Vorteil im Bereich oder etwas unterhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials liegen, so dass sichergestellt ist, dass das Betätigungselement bei Erreichen der zweiten Schalttemperatur in seine zweite Form zurück geschaltet wird, in welcher es den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt bringt. Sofern dem das Phasenwechselmaterial aufnehmenden Speicher des Latentwärmespeichers eine Heizeinrichtung zur Regenerierung des Phasenwechselmaterials zugeordnet ist und das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes folglich mittels der Heizeinrichtung auf eine Regenerationstemperatur des Phasenwechselmaterials oberhalb dessen Schmelztemperatur erwärmt werden kann, so kann die („warme“) zweite Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Betätigungselementes beispielsweise auch zwischen der Schmelztemperatur und der Regenerationstemperatur des Phasenwechselmaterials liegen, so dass gleichfalls sichergestellt ist, dass das Betätigungselement bei Erreichen der zweiten Schalttemperatur in seine zweite Form zurück geschaltet wird, in welcher es den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt bringt.On the other hand, the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element preferably has a second ("warm") switching temperature which is higher than the first ("cold") switching temperature, at which it moves out of its first form, in which the actuating element forms the crystallization nucleus with the phase change material brings into contact in order to initiate its crystallization, is converted or switched back to the second form, in which the actuating element brings the crystallization nucleating agent out of contact with the phase change material, this second switching temperature being below the regeneration temperature, in particular below the melting temperature, but closer to the Melting temperature than the crystallization temperature of the phase change material. If no heating device for regenerating the phase change material is assigned to the accumulator of the latent heat accumulator accommodating the phase change material and the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element is consequently heated to its second switching temperature purely due to the ambient temperature or the temperature of the phase change material, then the ("warm" ) second switching temperature of the two-way shape memory polymer of the actuating element is advantageously in the range of or slightly below the melting temperature of the phase change material, so that it is ensured that the actuating element is switched back to its second form when the second switching temperature is reached, in which it the crystallization nucleating agent with the Brings phase change material out of contact. If the storage device of the latent heat storage device that accommodates the phase change material is assigned a heating device for regenerating the phase change material and the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element can consequently be heated by means of the heating device to a regeneration temperature of the phase change material above its melting point, the ("warm") second Switching temperature of the two-way shape memory polymer of the actuating element can also lie between the melting temperature and the regeneration temperature of the phase change material, for example, so that it is also ensured that the actuating element is switched back to its second form when the second switching temperature is reached, in which it separates the crystallization nucleus with the phase change material contact.
In diesem Zusammenhang sei darauf hingewiesen, dass eine Rückstellung des Betätigungselementes von seiner ersten Form in die zweite Form im Bereich der zweiten Schalttemperatur des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers auch zeitverzögert stattfinden kann, wenn beispielsweise das (noch) nicht vollständig geschmolzene, (teil)kristalline Phasenwechselmaterial die Verformung des Betätigungselementes (noch) verhindert. Ist jedoch ein hinreichender Anteil des Phasenwechselmaterials in die schmelzflüssige Phase überführt worden, so vermag das Betätigungselement seine thermoresponsive Rückstellung durchzuführen, weshalb seine zweite („warme“) Schalttemperatur jedenfalls nicht oberhalb der Regenerationstemperatur des Phasenwechselmaterials liegen sollte.In this context, it should be noted that a return of the actuating element from its first shape to the second shape in the range of the second switching temperature of the at least one two-way shape memory polymer can also take place with a time delay, if, for example, the (not yet) fully melted, (partly) crystalline Phase change material (still) prevents the deformation of the actuating element. However, if a sufficient proportion of the phase change material has been converted into the molten phase, the actuator can perform its thermoresponsive recovery, which is why its second (“warm”) switching temperature should in any case not be above the regeneration temperature of the phase change material.
Allerdings sei an dieser Stelle explizit erwähnt, dass die zweite („warme“) Schalttemperatur des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Betätigungselementes auch oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials sowie oberhalb einer etwaigen Regenerationstemperatur desselben liegen kann, wobei dem Betätigungselement z.B. eine Heizeinrichtung, wie eine Widerstandsheizeinrichtung, Induktionsheizeinrichtung oder dergleichen, zugeordnet sein kann, um das Zweiwege-Formgedächtnispolymer bedarfsweise auf die zweite Schalttemperatur zu erwärmen und es dabei von seiner ersten Form in die zweite Form zu schalten.However, it should be explicitly mentioned at this point that the second (“warm”) switching temperature of the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element can also be above the melting temperature of the phase change material and above any regeneration temperature of the same, with the actuating element being provided with a heating device, such as a resistance heating device, for example , Induction heating device or the like, can be assigned to heat the two-way shape memory polymer to the second switching temperature as required, thereby switching it from its first form to the second form.
Um die gewünschte Temperatur, bei welcher der Latentwärmespeicher infolge der mittels des Betätigungselementes des Auslösemechanismus' induzierten Kristallisation des Phasenwechselmaterials die dort gespeicherte Wärme freisetzen soll (also die zweite Schalttemperatur des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Betätigungselementes), in möglichst breiten Grenzen variieren zu können, erstreckt sich der metastabile Unterkühlungsbereich des Phasenwechselmaterials zwischen seiner Schmelztemperatur und seiner Kristallisationstemperatur vorzugsweise über ein möglichst breites Temperaturintervall von zweckmäßigerweise wenigstens etwa 10°C, insbesondere von wenigstens etwa 15°C, vorzugsweise von wenigstens etwa 20°C, z.B. von wenigstens etwa 25°C. Ferner sollte das Phasenwechselmaterial derart gewählt werden, dass sein metastabiler Unterkühlungsbereich, innerhalb dessen die erste Schalttemperatur des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Betätigungselementes aus den oben genannten Gründen zweckmäßigerweise liegt, diejenige Temperatur umfasst, bei welcher der Latentwärmespeicher die in dem Phasenwechselmaterial gespeicherte (Kristallisations)wärme freisetzen soll.In order to be able to vary the desired temperature at which the latent heat accumulator is to release the heat stored there as a result of the crystallization of the phase change material induced by the actuating element of the triggering mechanism (i.e. the second switching temperature of the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element), within the broadest possible limits, the metastable supercooling range of the phase change material extends between its melting temperature and its crystallization temperature preferably over the widest possible temperature interval of expediently at least about 10°C, in particular at least about 15°C, preferably at least about 20°C, for example at least about 25°C . Furthermore, the phase change material should be selected in such a way that its metastable supercooling range, within which the first switching temperature of the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element expediently lies for the reasons mentioned above, includes the temperature at which the latent heat accumulator releases the (crystallization) stored in the phase change material to release heat.
Als Phasenwechselmaterial kommen grundsätzlich beliebige bekannte Phasenwechselmaterialien, wie z.B. Wachse mit einer Kette mit wenigstens 10 Kohlenstoffatomen, insbesondere Paraffine, mit für den jeweiligen Verwendungszweck des Latentwärmespeichers geeigneten Schmelz- und Kristallisationstemperaturen sowie insbesondere Unterkühlungstemperaturbereichen in Betracht, wobei sich insbesondere Phasenwechselmaterialien, welche wenigstens ein Salzhydrat enthalten oder im Wesentlichen gänzlich hieraus gebildet sind, als vorteilhaft erwiesen haben. Beispiele solcher Salzhydrate umfassen die eingangs genannten Calciumchlorid-Hexahydrat (CaCl2 • 6 H2O), Natriumacetat-Trihydrat (CH3COONa • 3 H2O), Natriumthiosulfat-Pentahydrat (Na2S2O3 • 5 H2O), Natriumsulfat-Decahydrat (Na2SO4 • 10 H2O), Kaliumfluorid-Tetrahydrat (KF • 4 H2O) und Lithiumnitrat-Trihydrat (LiNO3 · 3 H2O), aber beispielsweise auch Magnesiumsulfat-Heptahydrat (MgSO4 • 7 H2O) , Kupfersulfat-Pentahydrat (CuSO4 • 5 H2O), Kupfersulfat-Monohydrat (CuSO4 • H2O) und dergleichen einschließlich Mischungen von Salzhydraten.In principle, any known phase change materials, such as waxes with a chain with at least 10 carbon atoms, in particular paraffins, with melting and crystallization temperatures suitable for the respective purpose of the latent heat storage device and in particular supercooling temperature ranges, can be considered as phase change material, with phases Swap materials that contain at least one salt hydrate or are essentially entirely formed from it have proven to be advantageous. Examples of such salt hydrates include the aforementioned calcium chloride hexahydrate (CaCl 2 • 6 H 2 O), sodium acetate trihydrate (CH 3 COONa • 3 H 2 O), sodium thiosulfate pentahydrate (Na 2 S 2 O 3 • 5 H 2 O) , sodium sulfate decahydrate (Na 2 SO 4 • 10 H 2 O), potassium fluoride tetrahydrate (KF • 4 H 2 O) and lithium nitrate trihydrate (LiNO3 3 H 2 O), but also, for example, magnesium sulfate heptahydrate (MgSO 4 • 7 H 2 O), copper sulfate pentahydrate (CuSO 4 • 5 H 2 O), copper sulfate monohydrate (CuSO 4 • H 2 O), and the like including mixtures of salt hydrates.
Während für das Betätigungselement des Auslösemechanismus' grundsätzlich beliebige bekannte Zweiwege-Formgedächtnispolymere zum Einsatz gelangen können, deren Schalttemperaturen in einem für den jeweiligen Einsatzzweck des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers geeigneten Bereich liegen, kann es sich bei dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes z.B. vorzugsweise um ein Polyurethanelastomer, insbesondere um ein Polyester- oder Polyetherurethanelastomer, handeln, wobei selbstverständlich auch Polymermischungen bzw. Blends oder Compounds aus bzw. mit Zweiwege-Formgedächtnispolymeren Verwendung finden können. Beispiele solcher Zweiwege-Formgedächtnispolymere sind beispielsweise aus dem Aufsatz von T. Pretsch, M. Bothe: „Bidirectional actuation of a thermoplastic polyurethane elastomer“, Journal of Materials Chemistry A, 20 (2013), 14.491-14.497 bekannt, wobei exemplarisch ein thermoplastisches Polyurethanelastomer mit Hartsegmenten bzw. Netzpunkten auf der Basis von Methylendiphenylisocyanat (MDI) und 1,4-Butandiol (teilkristallin/amorph) und mit Schalt- bzw. Weichsegmenten auf der Basis von Polybutylen-1,4-adipat, welches durch Reaktion von 1,4-Butandiol mit Adipinsäure erhalten werden kann, erwähnt sei. Wird dieses Polymer erstmalig auf eine Verformungstemperatur von etwa 60°C erwärmt, so lässt es sich zwecks seiner Zweiwege-Formgedächtnisprogrammierung, vorzugsweise mit einer langsamen Verformungsrate von beispielsweise etwa 1%/s, z.B. mit einer Dehnung von insgesamt bis zu etwa 1000% verformen, woraufhin es auf etwa 0°C abgekühlt wird, um eine Längenausdehnung des Materials zu erzielen. Wird das Polymer sodann bis in den Schalttemperaturbereich („zweite Schalttemperatur“) von etwa 30°C bis 55°C erwärmt, so werden die Schaltsegmente aufgeschmolzen und von ihrem vornehmlich teilkristallinen Zustand in ihren vornehmlich amorphen bzw. flexiblen Zustand überführt, so dass das Polymer wieder zurück geschaltet wird bzw. sich zusammenzieht, ohne dass hierzu abermals eine Verformungskraft aufgebracht werden muss. Wird es anschließend wieder auf seine Kristallisationstemperatur („erste Schalttemperatur“) im Bereich von unterhalb etwa 20°C abgekühlt, so kristallisieren die Schaltsegmente erneut und das Polymer wird abermals geschaltet bzw. verformt, etc. Beispiele für Zweiwege-Formgedächtnispolymere, deren Zweiwege-Formgedächtniseigenschaften insbesondere durch Einwirkung einer permanenten Druckkraft begünstigt werden können, so dass das Zweiwege-Formgedächtnispolymer unter einer permanenten mechanischen Spannung steht, sind beispielsweise aus dem Aufsatz von M. Bothe, T. Pretsch: „Two-way shape changes of a shape memory poly (ester urethane) ‟ in Macromol. Chem. Phys. 213 (2012) , 213, 2378-2385 bekannt, wobei exemplarisch ein Polyesterurethan mit Weichsegmenten aus kristallisierbarem Poly(1,4-butylenadipat) (PBA) erwähnt sei, welches im entsprechend programmierten Zustand Zweiwege-Formgedächtniseigenschaften aufweist, um sich bei Abkühlung unter die Kristallisationstemperatur („erste Schalttemperatur“) auszudehnen und sich bei Erwärmung über den Schalttemperaturbereich („zweite Schalttemperatur“) zusammenzuziehen. Um insbesondere den Übergang zwischen einem amorphen Zustand des PBA bei hohen Temperaturen in einen teilkristallinen Zustand des PBA bei tiefen Temperaturen zu begünstigen und einen sehr hohen Anteil an Kristallinität des PBA - einhergehend mit einer sehr starken Verformung - zu erzielen, kann ein solches Zweiwege-Formgedächtnispolymer mit einer mechanischen Spannung, z.B. im Bereich von etwa 1,5 MPa, beaufschlagt werden. Darüber hinaus sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass durch Variation einer solchen mechanischen Spannung insbesondere auch die Kristallisationstemperatur („erste Schalttemperatur“) der Weichsegmente des Zweiwege-Formgedächtnispolymers und hiermit einhergehend deren Schmelztemperatur („zweite Schalttemperatur“) gezielt an den jeweiligen Verwendungszweck des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers bzw. an die örtlichen Gegebenheiten seines Einsatzortes angepasst werden kann. Ferner kann das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes beispielsweise auch nur bereichsweise unter einer permanenten mechanischen Spannung stehen, wie z.B. infolge der Gravitation einer nur bereichsweise auf das Betätigungselement einwirkenden Flächenlast.While in principle any known two-way shape memory polymer can be used for the actuating element of the triggering mechanism, the switching temperatures of which are in a range that is suitable for the respective application of the latent heat storage device according to the invention, the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element can be, for example, preferably a polyurethane elastomer , in particular a polyester or polyether urethane elastomer, whereby of course polymer mixtures or blends or compounds made of or with two-way shape memory polymers can also be used. Examples of such two-way shape memory polymers are known, for example, from the article by T. Pretsch, M. Bothe: "Bidirectional actuation of a thermoplastic polyurethane elastomer", Journal of Materials Chemistry A, 20 (2013), 14.491-14.497, with a thermoplastic polyurethane elastomer being used as an example with hard segments or network points based on methylenediphenyl isocyanate (MDI) and 1,4-butanediol (semi-crystalline/amorphous) and with switching or soft segments based on polybutylene-1,4-adipate, which is obtained by reacting 1,4 -Butanediol can be obtained with adipic acid, should be mentioned. If this polymer is first heated to a deformation temperature of about 60°C, it can be deformed for the purpose of its two-way shape memory programming, preferably with a slow deformation rate of, for example, about 1%/s, e.g. with a total elongation of up to about 1000%. whereupon it is cooled to about 0°C to achieve elongation of the material. If the polymer is then heated up to the switching temperature range ("second switching temperature") of around 30°C to 55°C, the switching segments are melted and converted from their primarily semi-crystalline state into their primarily amorphous or flexible state, so that the polymer is switched back again or contracts without a deformation force having to be applied again for this purpose. If it is then cooled back to its crystallization temperature (“first switching temperature”) in the range below about 20°C, the switching segments crystallize again and the polymer is switched or deformed again, etc. Examples of two-way shape memory polymers, their two-way shape memory properties can be favored in particular by the action of a permanent compressive force, so that the two-way shape memory polymer is under permanent mechanical stress, for example from the article by M. Bothe, T. Pretsch: "Two-way shape changes of a shape memory poly (ester urethane) ‟ in Macromol. Chem. Phys. 213 (2012), 213, 2378-2385, with a polyester urethane having soft segments made of crystallizable poly(1,4-butylene adipate) (PBA) being mentioned as an example, which has two-way shape memory properties in the correspondingly programmed state in order to change under the crystallization temperature (“first switching temperature”) to expand and to contract when heated above the switching temperature range (“second switching temperature”). In order in particular to favor the transition between an amorphous state of the PBA at high temperatures into a semi-crystalline state of the PBA at low temperatures and to achieve a very high proportion of crystallinity of the PBA - accompanied by a very strong deformation - such a two-way shape memory polymer can with a mechanical stress, for example in the range of about 1.5 MPa, applied. In addition, it should be pointed out at this point that by varying such a mechanical stress, in particular the crystallization temperature (“first switching temperature”) of the soft segments of the two-way shape memory polymer and, as a result, their melting temperature (“second switching temperature”), can also be adjusted specifically to the respective intended use of the device according to the invention Latent heat storage or can be adapted to the local conditions of its location. Furthermore, the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element can, for example, only be under permanent mechanical stress in certain areas, for example as a result of the gravitational pull of a surface load acting on the actuating element only in certain areas.
Darüber hinaus kann es sich bei dem wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes vorteilhafterweise um ein plastifizierbares, thermoplastisches Polymer handeln, was ihm eine einfache Herstellung mittels praktisch beliebiger thermoplastischer Verarbeitungsverfahren eröffnet und ihm im Hinblick auf eine einfache Rezyklierung eine gegenüber Duroplasten erhöhte Umweltfreundlichkeit verleiht. Während derartige thermoplastische Zweiwege-Formgedächtnispolymere, wie gesagt, weitestgehend mittels üblicher thermoplastischer Verarbeitungsverfahren, wie z.B. Extrudieren, Spritzgießen, Heißpressen, Kalandrieren, Blasformen, Rotationsformen etc., zu dem Betätigungselement verarbeitet werden können, welches sodann in der weiter oben beschriebenen Weise auf seine erste und zweite Form programmiert werden kann, kann das Betätigungselement insbesondere auch mittels eines Verfahrens des Rapid Prototypings erzeugt werden, wie insbesondere durch ein Schmelzschichtverfahren, wie es vornehmlich in 3D-Druckern zur Anwendung gelangt. Das auch als „fused deposition modeling“ (FDM) oder „fused filament fabrication“ (FFF) bezeichnete Schmelzschichtverfahren stellt ein Fertigungsverfahren dar, bei welchem ein thermoplastisches Polymer oder ein Polymer-Blend aus thermoplastischen Polymeren plastifiziert und mittels einer üblicherweise im Druckkopf des 3D-Druckers vorgesehenen Düse schichtweise abgeschieden wird, um das letztlich aus einer Vielzahl an solchen Schichten gebildete Polymer-Formteil in seiner permanenten Form zu erzeugen. Dies ermöglicht einerseits eine auch für Kleinserien geeignete, schichtweise Herstellung von relativ komplexen und beispielsweise durch herkömmliche thermoplastische Verarbeitungsverfahren, wie Spritzgießen, Extrudieren etc., nicht oder nur schwer herstellbaren Formteilen, wobei das Schmelzschichtverfahren andererseits auch für die Serienfertigung von Polymer-Formteilen mit relativ komplexer Geometrie und/oder Oberflächenstrukturen eingesetzt werden kann. Bei dem auch als „additive manufacturing“ bezeichneten 3D-Drucken wird dabei üblicherweise ein dreidimensionales Modell des zu erzeugenden Polymer-Formteils digital erstellt, was insbesondere mittels der bekannten Methoden des Computer Aided Designs (CAD) geschehen kann. Darüber hinaus wird mittels einer geeigneten Software, wie beispielsweise eines sogenannten Slicer-Programms (z.B. Cura™ oder dergleichen), das dreidimensionale Modell des zu erzeugenden Formteils in eine Mehrzahl an dünnen Schichten zerlegt, woraufhin das plastifizierte Polymer mittels der Düse des entsprechend bewegten Druckkopfes schichtweise abgeschieden wird, um das Formteil Schicht für Schicht aufzubauen. Unmittelbar nach dem Ausbringen des mehr oder minder strang- oder tropfenförmig aus der Düse des Druckkopfes ausgetragenen Polymerplastifikates beginnt der Aushärtungsprozess - oder genauer: der Erstarrungsprozess -, wobei das abgeschiedene Plastifikat beispielsweise bei Umgebungstemperatur oder auch unter aktiver Abkühlung erstarrt. Wird ein solchermaßen erzeugtes Formteil aus einem thermoresponsiven Zweiwege-Formgedächtnispolymer auf die jeweilige Schalttemperatur erwärmt bzw. abgekühlt, nachdem es zuvor in der oben beschriebenen Weise programmiert worden ist, so vermag es gleichfalls reversibel zwischen seiner ersten Form und seiner zweiten Form hin und her geschaltet zu werden, wobei es im Falle eines mittels des Schmelzschichtverfahrens in mehreren Lagen hergestellten Betätigungselementes auch in relativ einfacher Weise möglich ist, den Kristallkeimbildner in eine oder mehrere Schichten des abgeschiedenen Plastifikates einzudispergieren, sei es in im Wesentlichen konstanten oder unterschiedlichen Anteilen, und/oder ihn vornehmlich oberflächig auf das Bestätigungselement aufzubringen.In addition, the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element can advantageously be a plasticizable, thermoplastic polymer, which makes it easy to manufacture using practically any thermoplastic processing method and makes it more environmentally friendly than thermosets in terms of easy recycling. While such thermoplastic two-way shape-memory polymers, as stated, are largely processed into the actuating element by means of conventional thermoplastic processing methods such as, for example, extrusion, injection molding, hot pressing, calendering, blow molding, rotational molding, etc which can then be programmed to its first and second form in the manner described above, the actuating element can in particular also be produced by means of a rapid prototyping method, such as in particular by a fused layer method, as is primarily used in 3D printers . The melt layer process, also known as "fused deposition modeling" (FDM) or "fused filament fabrication" (FFF), is a manufacturing process in which a thermoplastic polymer or a polymer blend made of thermoplastic polymers is plasticized and using a process that is usually installed in the print head of the 3D Printer provided nozzle is deposited in layers to produce the polymer molding ultimately formed from a plurality of such layers in its permanent form. On the one hand, this enables the layered production of relatively complex molded parts, which is also suitable for small series and cannot be produced or can only be produced with difficulty, for example by conventional thermoplastic processing methods such as injection molding, extrusion, etc., with the melt layer process also being suitable for the series production of polymer molded parts with relatively complex Geometry and / or surface structures can be used. In 3D printing, also referred to as “additive manufacturing”, a three-dimensional model of the polymer molding to be produced is usually created digitally, which can be done in particular using the well-known methods of computer-aided design (CAD). In addition, using suitable software, such as a so-called slicer program (e.g. Cura™ or similar), the three-dimensional model of the molded part to be produced is broken down into a number of thin layers, whereupon the plasticized polymer is cut layer by layer using the nozzle of the correspondingly moved print head is deposited to build up the molded part layer by layer. The hardening process - or more precisely: the solidification process - begins immediately after the discharge of the more or less strand-like or droplet-shaped polymer plasticate from the nozzle of the print head, whereby the separated plasticate solidifies, for example at ambient temperature or with active cooling. If a molded part produced in this way from a thermoresponsive two-way shape memory polymer is heated or cooled to the respective switching temperature after it has been previously programmed in the manner described above, it can also be switched back and forth reversibly between its first shape and its second shape in the case of an actuating element produced in several layers by means of the melt layer process, it is also possible in a relatively simple manner to disperse the crystal nucleating agent in one or more layers of the deposited plasticate, be it in essentially constant or different proportions, and/or it primarily applied to the surface of the confirmation element.
Die
Darüber hinaus kann das thermoplastische Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes beispielsweise auch mittels selektiven Lasersinterns (SLS) erzeugt werden, wie es beispielsweise aus dem Fachaufsatz „Characterization of creeping and shape memory effect in laser sintered thermoplastic polyurethane“ von S. Yuan et al., Journal of Computing and Information Science in Engineering, 16 (2016), Issue 4, Seiten 041007-041007-5 bekannt ist, wobei ihm gleichfalls sehr komplexe Geometrien und/oder Oberflächenbeschaffenheiten verliehen werden können.In addition, the thermoplastic two-way shape memory polymer of the actuating element can also be produced, for example, by means of selective laser sintering (SLS), as described, for example, in the technical article "Characterization of creeping and shape memory effect in laser sintered thermoplastic polyurethane" by S. Yuan et al., Journal of Computing and Information Science in Engineering, 16 (2016),
Lediglich exemplarisch sind nachfolgend zwei Ausführungsbeispiele von für das Betätigungselement des Auslösemechanismus' eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers geeigneten Zweiwege-Formgedächtnispolymeren in Form von thermoplastischen Polyesterurethanen (TPU) auf der Basis von Poly(1,6-hexylenadipat)diol (PHA) bzw. Poly(1,4-butylenadipat)diol (PBA) als Polyol-Komponente und 4,4'-Methylendiphenylisocyanat (MDI) als Diisocyanatkomponente mit 1,4-Butandiol (BD) als Kettenverlängerer angegeben, welche aus den tabellarisch zusammengestellten Edukten synthetisiert worden sind.Two exemplary embodiments of two-way shape-memory polymers suitable for the actuating element of the triggering mechanism' of a latent heat storage device according to the invention in the form of thermoplastic polyester urethanes (TPU) based on poly(1,6-hexylene adipate)diol (PHA) or poly(1), 4-butylene adipate)diol (PBA) as the polyol component and 4,4'-methylenediphenyl isocyanate (MDI) as the diisocyanate component with 1,4-butanediol (BD) as the chain extender, which have been synthesized from the starting materials listed in the table.
Beispiel 1:Example 1:
Zweiwege-Formgedächtnispolymer „TPU-PHA 3000/15“:Two-way shape memory polymer "TPU-PHA 3000/15":
-
- Kristallisationstemperaturbereich der Schalt- bzw. Weichsegmente auf Basis von PHA („erste Schalttemperatur):
- ca. 0°C bis ca. 20°C,
- approx. 0°C to approx. 20°C,
-
- Schmelztemperaturbereich der Schalt- bzw. Weichsegmente auf Basis von PHA („zweite Schalttemperatur):
- ca. 30°C bis ca. 50°C,
- approx. 30°C to approx. 50°C,
- - Hartsegmentanteil (MDI/BD): ca. 15%,- Hard segment content (MDI/BD): approx. 15%,
- - NCO-Index: 1,005.- NCO index: 1.005.
Beispiel 2:Example 2:
Zweiwege-Formgedächtnispolymer „TPU-PBA 4000/15“:Two-way shape memory polymer "TPU-PBA 4000/15":
-
- Kristallisationstemperaturbereich der Schalt- bzw. Weichsegmente auf Basis von PBA („erste Schalttemperatur):
- ca. -10°C bis ca. 10°C,
- approx. -10°C to approx. 10°C,
-
- Schmelztemperaturbereich der Schalt- bzw. Weichsegmente auf Basis von PBA („zweite Schalttemperatur):
- ca. 30°C bis ca. 50°C,
- approx. 30°C to approx. 50°C,
- - Hartsegmentanteil (MDI/BD): ca. 15%,- Hard segment content (MDI/BD): approx. 15%,
- - NCO-Index: 1,005.- NCO index: 1.005.
Allerdings sei an dieser Stelle darauf hingewiesen, dass es sich bei dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes nicht notwendigerweise um ein thermoplastisches Polymer handeln muss, sondern grundsätzlich auch vornehmlich elastomere oder duroplastische Polymere in Betracht kommen. Geeignete Vertreter solcher duroplastischer Zweiwege-Formgedächtnispolymere sind beispielsweise in dem Fachaufsatz „Catalyst-free thermoset polyurethane with permanent shape reconfigurability and highly tunable triple-shape memory performance“ von N. Zheng et al. in ACS Macro Letters 6, 4 (2017), Seiten 326-330 beschrieben.However, it should be pointed out at this point that the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element does not necessarily have to be a thermoplastic polymer, but in principle primarily elastomeric or duroplastic polymers can also be considered. Suitable representatives of such thermoset two-way shape memory polymers are for example in the technical paper "Catalyst-free thermoset polyurethane with permanent shape reconfigurability and highly tunable triple-shape memory performance" by N. Zheng et al. in ACS Macro Letters 6, 4 (2017), pages 326-330.
Darüber hinaus kann gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers vorgesehen sein, dass das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes wenigstens einen Füll- und/oder Verstärkungsstoff enthält, welcher insbesondere aus der Gruppe
- - der elektromagnetische Strahlung, wie z.B. im Mikrowellenspektrum oder im infraroten bis hin zum ultravioletten Spektrum einschließlich des sichtbaren Spektrums, absorbierenden Stoffe, insbesondere auf der Basis von Kohlenstoff, z.B. in Form von (expandiertem) Graphit, Graphen, Kohlenstoff-Nanoröhren (carbon nano tubes, CNT) und dergleichen, Metallen, Metalloxiden und Metallclustern, wie z.B. (oligomeren) Silsesquioxanen und dergleichen,
- - der magnetischen und/oder ferromagnetischen Stoffe, insbesondere aus der Gruppe Eisen, Eisenoxid bzw. Magnetit, Nickel, Zink und deren Metallclustern, wie z.B. (oligomeren) Silsesquioxanen und dergleichen,
- - der Nanoclays, insbesondere auf der Basis der Carbide, Nitride und Oxide von Silicium, Zirkonium und Aluminium, z.B. in Form von Siliciumnitrid, Siliciumcarbid, Siliciumoxid, Zirkonoxid, Aluminiumoxid und dergleichen, und
- - der Verstärkungsfasern, z.B. in Form von natürlichen und/oder synthetischen Fasern, wie Kohlenstoff-, Glas-, Aramidfasern und dergleichen,
- - Materials that absorb electromagnetic radiation, such as in the microwave spectrum or in the infrared to ultraviolet spectrum including the visible spectrum, in particular based on carbon, e.g. in the form of (expanded) graphite, graphene, carbon nanotubes , CNT) and the like, metals, metal oxides and metal clusters, such as (oligomeric) silsesquioxanes and the like,
- - Magnetic and/or ferromagnetic substances, in particular from the group of iron, iron oxide or magnetite, nickel, zinc and their metal clusters, such as (oligomeric) silsesquioxanes and the like,
- - nanoclays, in particular based on carbides, nitrides and oxides of silicon, zirconium and aluminum, for example in the form of silicon nitride, silicon carbide, silicon oxide, zirconium oxide, aluminum oxide and the like, and
- - the reinforcing fibers, for example in the form of natural and/or synthetic fibers such as carbon, glass, aramid fibers and the like,
Mittels derartiger Füll- und/oder Verstärkungsstoffe lassen sich dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes zusätzliche Eigenschaften verleihen, um es - sofern gewünscht - an den jeweiligen Anwendungszweck des Latentwärmespeichers anzupassen. So machen es z.B. magnetoresponsive und/oder elektroaktive Additive, wie elektromagnetische Strahlung absorbierende und/oder (ferro)magnetische Füllstoffe, vorzugsweise in feinpartikulärer Form, bedarfsweise möglich, das Betätigungselement induktiv zu erwärmen, um es beispielsweise gezielt auf die zweite Schalttemperatur erwärmen und hierbei von seiner ersten Form in die zweite Form schalten zu können, wobei diese zweite Schalttemperatur in diesem Fall - wie weiter oben erwähnt - z.B. auch oberhalb der Schmelz- und oberhalb einer etwaigen Regenerationstemperatur des Phasenwechselmaterials liegen kann. Elektromagnetische Strahlung im infraroten und/oder ultravioletten Spektrum absorbierende Füllstoffe, mit welchen das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes z.B. versetzt und/oder beschichtet sein kann, ermöglichen ferner beispielsweise eine schnelle(re) Erwärmung des Betätigungselementes bei steigender Außentemperatur und/oder unter Sonneneinstrahlung, um infolge eines Überschreitens der zweiten Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers das Betätigungselement zuverlässig aus seiner ersten Form in seine zweite Form schalten zu können. selbstverständlich können dabei auch Kombinationen mehrerer verschiedener Füllstoffmaterialien verwendet werden, wie beispielsweise magnetoresponsive und/oder elektroaktive Additive in Kombination mit Verstärkungsfasern und gegebenenfalls weiteren Füllstoffen. Darüber hinaus können dem wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Betätigungselementes grundsätzlich auch weitere, als solche weitgehend aus dem Stand der Technik bekannte, vorzugsweise physiologisch unbedenkliche, Additive zugesetzt sein, wie Gleitmittel und andere Verarbeitungshilfsstoffe, Weichmacher, Antioxidantien, UV-Stabilisatoren, Verstärkungsstoffe, Flammschutzmittel, Antistatika, Hydrolysestabilisatoren, Schlagzähmodifikatoren, Biostatika etc.By means of such fillers and/or reinforcing materials, the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element can be given additional properties in order to adapt it—if desired—to the respective intended use of the latent heat accumulator. For example, magnetoresponsive and/or electroactive additives, such as electromagnetic radiation-absorbing and/or (ferro)magnetic fillers, preferably in finely particulate form, make it possible, if necessary, to inductively heat the actuating element, for example to heat it specifically to the second switching temperature and thereby to be able to switch from its first form to the second form, in which case this second switching temperature--as mentioned above--can also be above the melting temperature and above any regeneration temperature of the phase change material, for example. Fillers that absorb electromagnetic radiation in the infrared and/or ultraviolet spectrum, with which the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element can be added and/or coated, for example, also allow the actuating element to heat up more rapidly when the outside temperature rises and/or under solar radiation , in order to be able to reliably switch the actuating element from its first form into its second form as a result of the second switching temperature of the two-way shape memory polymer being exceeded. of course, combinations of several different filler materials can also be used, such as magnetoresponsive and/or electroactive additives in combination with reinforcing fibers and optionally other fillers. In addition, the at least one two-way shape memory polymer of the actuating element can, in principle, also have other additives that are largely known from the prior art and are preferably physiologically harmless, such as lubricants and other processing aids, plasticizers, antioxidants, UV stabilizers, reinforcing materials, flame retardants , antistatic agents, hydrolysis stabilizers, impact modifiers, biostatic agents, etc.
Schließlich kann es sich je nach Anwendungszweck des Latentwärmespeichers als vorteilhaft erweisen, wenn das Phasenwechselmaterial mit wenigstens einem Additiv versetzt ist, wobei neben beliebigen, als solchen bekannten Additiven insbesondere solche aus der Gruppe der Gelbildner von Vorteil sein können, um das Phasenwechselmaterial in seiner schmelzflüssigen Phase zu gelieren und auf diese Weise zu verhindern, dass im Falle von Leckagen des Speichers große Mengen an Phasenwechselmaterial freigesetzt werden. Beispiele geeigneter Gelbildner umfassen Siliciumoxid, insbesondere in feinpartikulärer Form, Gelatine, thermoplastische Elastomere (TPE), insbesondere auf Polyurethanbasis (TPU), Celluloseacetat, z.B. in Form von Carboxymethylcellulose-Natriumsalz (CMC) und dergleichen. In diesem Zusammenhang sei explizit darauf hingewiesen, dass der Terminus „flüssig“ bzw. „schmelzflüssig“ in Bezug auf das Phasenwechselmaterial im Rahmen der vorliegenden Offenbarung auch einen gelartig viskosen Zustand des Phasenwechselmaterials umfasst, wie er durch Zusatz eines Gelbildners erreicht werden kann.Finally, depending on the intended use of the latent heat storage device, it can prove to be advantageous if the phase change material is mixed with at least one additive, in which case, in addition to any additives known as such, in particular those from the group of gel formers can be advantageous in order to keep the phase change material in its molten phase to gel and in this way to prevent large amounts of phase change material from being released in the event of a leak in the accumulator. Examples of suitable gelling agents include silicon oxide, especially in finely particulate form, gelatin, thermoplastic elastomers (TPE), especially based on polyurethane (TPU), cellulose acetate, e.g., in the form of carboxymethylcellulose sodium salt (CMC), and the like. In this context, it should be explicitly pointed out that the term “liquid” or “molten” in relation to the phase change material within the scope of the present disclosure also includes a gel-like viscous state of the phase change material, as can be achieved by adding a gelling agent.
Alternativ oder zusätzlich kann zumindest das Phasenwechselmaterial mit einer antimikrobiellen Ausrüstung versehen sein, um eine unerwünschte Keim- oder Pilzbildung zu vermeiden. Die antimikrobielle Ausrüstung sollte dabei gesundheitlich unbedenklich sein, wobei sie beispielsweise Füllstoffe, Fasern oder Fäden auf der Basis von Silber und dessen schwer bzw. unlöslichen Salzen umfassen kann.Alternatively or additionally, at least the phase change material can be provided with an antimicrobial finish in order to avoid unwanted germ or fungus formation. The antimicrobial finish should be harmless to health, and it can include, for example, fillers, fibers or threads based on silver and its sparingly or insoluble salts.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigen:
-
1 ein Schaubild der Temperatur über die Zeit zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers mit passiver Schaltung des Betätigungselementes seines Auslösemechanismus' aus Zweiwege-Formgedächtnispolymer rein aufgrund der Umgebungstemperatur; -
2 einim Wesentlichen der 1 entsprechendes Schaubild der Temperatur über die Zeit zur Veranschaulichung der Funktionsweise einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers mit aktiver Schaltung des Betätigungselementes seines Auslösemechanismus' aus Zweiwege-Formgedächtnispolymer mittels bedarfsweiser Abkühlung des Zweiwege-Formgedächtnispolymers; -
3 bis5 stark schematisierte Ansichten verschiedener Ausführungsformen eines Betätigungselementes aus Zweiwege-Formgedächtnispolymer einerseits in einer ersten Form (jeweils unten), in welcher es einen in einer Kammer immobisierten Kristallisationskeimbildner mit einem nicht zeichnerisch wiedergegebenen Phasenwechselmaterial in Kontakt bringt, um die Kristallisation des Phasenwechselmaterials auszulösen, andererseits in einer zweiten Form (jeweils oben), in welcher es die den Kristallisationskeimbildner aufnehmende Kammer verschließt, um den Kristallisationskeimbildner mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt zu bringen; -
6 bis9 stark schematisierte Ansichten verschiedener Ausführungsformen eines im Wesentlichen platten- oder folienförmigen Betätigungselementes aus Zweiwege-Formgedächtnispolymer, welches mit einem bereichsweise zumindest oberflächig auf diesen aufgebrachten Kristallisationskeimbildner versehen ist; -
10 bis 12 stark schematisierte Ansichten verschiedener Ausführungsformen eines im Wesentlichen nach Art eines Stempels ausgebildeten Betätigungselementes aus Zweiwege-Formgedächtnispolymer einerseits in einer ersten Form (jeweils oben), in welcher es einen an der Oberfläche eines verlagerbaren oder stationären Elementes immobilisierten Kristallisationskeimbildner mit einem nicht zeichnerisch wiedergegebenen Phasenwechselmaterial in Kontakt bringt, um die Kristallisation des Phasenwechselmaterials auszulösen, andererseits in einer zweiten Form (jeweils unten), in welcher es den Kristallisationskeimbildner abdeckt, um ihn mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt zu bringen; -
13 bis 16 stark schematisierte Ansichten verschiedener Möglichkeiten des zumindest oberflächigen bereichsweisen Aufbringens eines Kristallisationskeimbildners auf ein Betätigungselement aus Zweiwege-Formgedächtnispolymer, z.B. gemäß den6 bis9 , oder auf eine Oberfläche, z.B. gemäß10 bis 12 ; und -
17 bis 19 stark schematisierte Ansichten verschiedener Ausführungsformen eines im Wesentlichen nach Art eines Stempels ausgebildeten Betätigungselementes aus Zweiwege-Formgedächtnispolymer einerseits in einer ersten Form (jeweils oben), in welcher es einen an der Oberfläche des Betätigungselementes immobilisierten Kristallisationskeimbildner mit einem nicht zeichnerisch wiedergegebenen Phasenwechselmaterial in Kontakt bringt, um die Kristallisation des Phasenwechselmaterials auszulösen, andererseits in einer zweiten Form (jeweils unten), in welcher es den Kristallisationskeimbildner abdeckt, um ihn mit dem Phasenwechselmaterial außer Kontakt zu bringen.
-
1 a diagram of the temperature over time to illustrate the functioning of a first embodiment of a latent heat accumulator according to the invention with passive switching of the actuating element of its triggering mechanism 'made of two-way shape memory polymer purely due to the ambient temperature; -
2 an essentially the1 Corresponding diagram of the temperature over time to illustrate the functioning of a second embodiment of a latent heat storage device according to the invention with active switching of the actuating element of its triggering mechanism made of two-way shape memory polymer by means of cooling the two-way shape memory polymer as required; -
3 until5 highly schematized views of various embodiments of an actuating element made of two-way shape memory polymer on the one hand in a first form (each below), in which it brings a crystallization nucleating agent immobilized in a chamber into contact with a phase change material, not shown in the drawing, in order to trigger the crystallization of the phase change material, on the other hand in a second form (each above) in which it closes the nucleating agent-receiving chamber to bring the nucleating agent out of contact with the phase change material; -
6 until9 highly schematized views of various embodiments of an essentially plate-shaped or foil-shaped actuating element made of two-way shape memory polymer, which is provided with a crystallization nucleating agent applied to it at least on the surface in some areas; -
10 until12 highly schematized views of various embodiments of an actuating element made of two-way shape-memory polymer, designed essentially in the manner of a stamp, on the one hand in a first form (each above), in which it contacts a crystallization nucleating agent immobilized on the surface of a movable or stationary element with a phase change material not shown in the drawing to induce crystallization of the phase change material, on the other hand in a second form (each below) in which it covers the nucleating agent to bring it out of contact with the phase change material; -
13 until16 highly schematized views of various possibilities of applying a crystallization nucleating agent to an actuating element made of two-way shape memory polymer, at least on the surface in certain areas, for example according to6 until9 , or on a surface, e.g. according to10 until12 ; and -
17 until19 highly schematized views of various embodiments of an actuating element made of two-way shape-memory polymer, designed essentially in the manner of a stamp, on the one hand in a first form (each above), in which it brings a crystallization nucleating agent immobilized on the surface of the actuating element into contact with a phase change material, not shown in the drawing, in order to to trigger the crystallization of the phase change material, on the other hand in a second form (each below) in which it covers the nucleating agent in order to bring it out of contact with the phase change material.
In der
Handelt es sich bei dem Phasenwechselmaterial beispielsweise um ein solches auf der Basis von Calciumchlorid-Hexahydrat (CaCl2 • 6 H2O), so beträgt dessen Schmelztemperatur TSchmelz-PCM etwa 30°C und seine Kristallisationstemperatur TSchalt-PCM etwa 10°C, d.h. der metastabile Unterkühlungstemperaturbereich ΔTU-PCM erstreckt sich über ca. 20°C. Handelt es sich bei dem Zweiwege-Formgedächtnispolymer beispielsweise um ein solches auf der Basis von „TPU-PHA 3000/15“ gemäß dem obigen Beispiel 1, so beträgt seine erste („kalte“) Schalttemperatur TSchalt-1 wahlweise z.B. etwa 15°C (entsprechend dem Kristallisationstemperaturbereich der Schalt- bzw. Weichsegmente auf Basis von PHA und seine zweite („warme“) Schalttemperatur TSchalt-2 z.B. etwa 40°C (entsprechend dem Schmelztemperaturbereich der Schalt- bzw. Weichsegmente).If the phase change material is based on calcium chloride hexahydrate (CaCl 2 .6H 2 O), for example, its melting temperature T melting PCM is about 30° C. and its crystallization temperature T switching PCM is about 10° C , ie the metastable subcooling temperature range ΔT U-PCM extends over approx. 20°C. If the two-way shape memory polymer is, for example, based on “TPU-PHA 3000/15” according to Example 1 above, its first (“cold”) switching temperature T switch-1 is optionally about 15° C., for example (corresponding to the crystallization temperature range of the switching or soft segments based on PHA and its second (“warm”) switching temperature T switch-2 eg about 40°C (corresponding to the melting temperature range of the switching or soft segments).
Handelt es sich bei dem Phasenwechselmaterial beispielsweise um ein solches auf der Basis von Natriumacetat-Trihydrat (CH3COONa • 3 H2O), so beträgt dessen Schmelztemperatur TSchmelz-PCM etwa 58 °C und seine Kristallisationstemperatur TSchalt-PCM etwa -12°C, d.h. der metastabile Unterkühlungstemperaturbereich ΔTU-PCM erstreckt sich über ca. 70°C. Handelt es sich bei dem Zweiwege-Formgedächtnispolymer beispielsweise um ein solches auf der Basis von „TPU-PBA 4000/15“ gemäß dem obigen Beispiel 2, so beträgt seine erste („kalte“) Schalttemperatur TSchalt-1 wahlweise z.B. zwischen etwa -10°C und etwa 10 °C (entsprechend dem Kristallisationstemperaturbereich der Schalt- bzw. Weichsegmente auf Basis von PBA und seine zweite („warme“) Schalttemperatur TSchalt-2 z.B. etwa 45°C (entsprechend dem Schmelztemperaturbereich der Schalt- bzw. Weichsegmente).If the phase change material is, for example, based on sodium acetate trihydrate (CH 3 COONa.3H 2 O), its melting temperature T melting PCM is about 58° C. and its crystallization temperature T switching PCM is about −12 °C, ie the metastable subcooling temperature range ΔT U-PCM extends over approx. 70°C. If the two-way shape memory polymer is, for example, based on “TPU-PBA 4000/15” according to example 2 above, its first (“cold”) switching temperature T switching-1 is between about -10, for example °C and about 10 °C (corresponding to the crystallization temperature range of the switching or soft segments based on PBA and its second (“warm”) switching temperature T switching-2 e.g. about 45°C (corresponding to the melting temperature range of the switching or soft segments) .
Wie nun aus der
In der
In den
In den Ausgestaltungen der
Das Betätigungselement 1 aus Zweiwege-Formgedächtnispolymer kann gemäß der
Das Betätigungselement 1 aus Zweiwege-Formgedächtnispolymer kann gemäß der
In den
Die
Im Falle der
Die Ausführungsform der
Exemplarische Möglichkeiten zum bereichsweisen, oberflächigen Aufbringen des wiederum mit einem Stern angedeuteten Phasenwechselmaterials auf das Betätigungselement 1 (vgl. insbesondere die
In den
Das Betätigungselement 1 der
Die in der
Die in der
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