DE102020002843A1 - Verfahren zur Herstellung eines formstabilen und auslaufsicheren Energiespeichermedium - Google Patents
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Abstract
Die vorliegende Erfindung betrifft ein formstabiles und auslaufsicheres Energiespeichermedium (PCM-V). Bei seinem Phasenwechsel vom festen zum flüssigen Aggregatzustand erfolgt sein Phasenwechsel bei gleichbleibender Schmelztemperatur. Ein vereinfachter Herstellungsprozess wurde zur Herstellung des PCM-V erfinderisch angewendet. Er besteht aus der Verwendung einer Komponente A (PCM) und einer weiteren Komponente B (Polymer-Verbund). Das Einmischen der Komponente B erfolgt in den jeweilig flüssigen Zustand der Komponente A, welche sich oberhalb ihrer spezifischen Schmelztemperatur befindet. Ein nachgeschalteter Temper-Prozess ist erforderlich.
Description
- Verfahren zur Herstellung eines formstabilen und auslaufsicheren Energiespeichermedium. Diese Erfindung mit einem neuen Herstellungsprozess betrifft ein formfixiertes, auslaufsicheres PCM-V welches bis zu einer thermischen Stimulation von 80°C seine Eigenschaften beibehält.
- Eine Verwendung dieser Erfindung umfasst eine Vielzahl von Anwendungen wie Kühlelemente, Thermohauben, Latentwärmespeicherdecken bei denen thermische Energie über längere Zeiträume verlustarm gespeichert und bei Bedarf entkoppelt wird.
- Die verwendeten organischen PCM-V weisen eine hohe Schmelzenthalpie auf die in der Regel 200 KJ/Kg bis 220 KJ/Kg betragen.
- Aufgrund dieser Eigenschaft kann beim Übergang von flüssiger zur festen Phase große Mengen der Schmelzenthalpie abgeben beziehungsweise beim umgekehrten Übergang, aufgenommen werden. Hierbei bleibt die Temperatur weitgehend konstant. Bei der konstanten Temperatur des Phasenwechsel wird die Schmelzenthalpie über einen längeren Zeitraum gespeichert, wenn verhindert wird, dass sie durch Wärmeleitung, Konvektion oder durch Wärmestrahlung an eine Umgebung verloren geht.
- Wird nun beim Abkühlen eine Temperatur unterhalb der Schmelztemperatur erreicht, erfolgt von den in der Schmelze gleichmäßig verteilten Keimbildner eine sich um diese Kristallisationskeime bildende radial ausbreitende Kristallisation aus. Dieser Vorgang ist reversibel.
- Begriffsbestimmung und Materialerläuterungen im Sinne dieser Erfindung
- Für Verbundmaterialformkörper und Energiespeichermedium im Sinne dieser Erfindung wird der Ausdruck PCM-V gebraucht. (nach RAL-GZ 896, Dez.2009)
- Für Latentwärmespeichermaterial im Sinne dieser Erfindung wird der Ausdruck PCM gebraucht. (nach RAL-GZ 896, Dez.2009)
- PCM im Sinne dieser Erfindung ist ein Material, welches den Aggregatzustand von fest zu flüssig oder den Kristallisationszustand von fest zu fest in einem definierten Temperaturbereich verändert (Phasenübergang). Dieser Vorgang ist reversibel (reproduzierbarer Phasenübergang) und wämetechnisch nutzbar.
- Zyklusbeständigkeit im Sinne dieser Erfindung ist die nach RAL-GZ 896, Dez. 2009 beschriebene Definition.
- PCM-V im Sinne dieser Erfindung bestehen aus Materialverbunden die immer PCM enthalten. Durch den Verbund aus PCM und mindestens einem weiteren Material wird dem PCM eine neue oder veränderte Eigenschaft hinzugefügt.
- Kristallisationsinseln im Sinne dieser Erfindung sind die sich um den jeweiligen in der Schmelze befindlichen Kristallisationskeim bildende, beginnende Kristallisation. Durch die gleichmäßigere Verteilung von Kristallisationskeimen und ihre Aktivierung zur Kristallbildung im PCM-V, wird für große PCM-V Massen eine verbesserte Aktivierung ermöglicht.
- Precipated Calcium Carbonat (PCC) im Sinne dieser Erfindung ist ein durch chemischen Prozess erzeugtes Calcium Carbonat welches durch Prozesse in unterschiedlichen Kristallstrukturen und Partikelgrößen bis zu 60 nm erzeugt werden kann.
- Kalziniertes offenporiges Pulver- Material ist ein Material, bei welchem dieses pro Gramm aus Siliziumdioxid 75 Gew.% pro Gramm, Eisen(III) -Oxid 7 Gew.% pro Gramm, Aluminiumoxid 10 Gew.% pro Gramm, Titandioxid 1 Gew.% pro Gramm, Calciumoxid 1 Gew.% pro Gramm, Kaliumoxid/Natriumoxid 2 Gew.% pro Gramm, Magnesiumoxid 1 Gew.% pro Gramm besteht.
- Ein thermoplastischer Elastomer (TPE) aus der Gruppe der Multi Block Copolymere wie SEEPS (Polystyrene-b-Poly(Ethylene/Ethylene/Propylene)-b-Polystrene) wurde ausgewählt, um ein Rückhaltevermögen von Keimbildner und der lipophilen Substanz (flüssiges Paraffin) zu ermöglichen.
- Eine trockene Mischung von PCC, kalziniertem offenporigen Pulver- Material und TPE wird im Sinne dieser Erfindung als Komponente B bezeichnet.
- Stand der Technik
- In ihren Beschreibungen für das Verfahren zur Herstellung formstabiler und auslaufsicherer Energiespeichermedium geeignet für den Einsatz in unterschiedlichsten Anwendungen wurden diese bereits ihrer Materialien und Mischprozesse von Fa. Cold Chain Technologies Inc. in den Patentbeschreibungen:
- SG 11201607806 VA vom 28.10.2016;
US 20140290285 A1 vom 02.10.2014;US 020140087105 A1 WO 002015148748 A1 WO 002014052409 A3 - unter dem Titel : Compromising a Phase Change Material, Method of Preparing the Gel, and thermal exchange implement compromising the Gel, hinreichend beschrieben.
- Keine dieser Beschreibungen die aus dem Stand der Technik bekannt sind lehrt, dass in ein auf nur wenig Grad Celsius oberhalb seiner Schmelztemperatur befindliches PCM, eine aus Komponente B bestehende trockene Granulat Mischung eingerührt wird, und diese nach einem nachgeschalteten Tempervorgang, zu einem zyklusbeständigen, formstabilen und auslaufsicheren PCM-V Material mit Entropieelastizität hergestellt werden kann. Unter wenige Grad Celsius oberhalb seiner Schmelztemperatur befindliches PCM wird im Sinne dieser Erfindung verstanden, dass beispielhaft ein PCM mit seiner Schmelztemperatur von ca. 5 °C sich auf einer Lagertemperatur von ca. 17 °C befindet.
- Aufgabenstellung der Erfindung
- Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist die Erfindung durch die technische Lehre des Anspruchs 1 gekennzeichnet.
- Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es weiterhin ein PCM-V zu schaffen, welches durch seinen vereinfachten Herstellungsprozess für die Herstellung eines PCM-V geeignet ist, und darüber hinaus ein formstabiles und auslaufsicheres Verhalten verbunden mit einer Entropieelastizität, bis zu einer Temperaturbelastung von 80°C gewährleistet.
- Es sind niedrigere Prozesskosten zu finden, welche durch einen vereinfachten Mixprozess und Herstellung eines PCM-V, die erforderlichen Material und Energiekosten reduziert.
- Ausführungsbeispiele
- Erfindungsgemäß wird ein bevorzugter thermoplastischer Elastomer (TPE) aus der Gruppe der Multi Block Copolymere wie SEEPS (Polystyrene-b-Poly(Ethylene/Ethylene/Propylene)-b-Polystyrene) ausgewählt, um ein Rückhaltevermögen von Keimbildner und der lipophile Substanz (flüssiges Paraffin) zu erzielen.
- Dieses Pulver, ein Block Copolymer ist bevorzugt so ausgewählt, dass bei Vorliegen seiner unterschiedlicher Weich- und Hartsegmente der Block Copolymer, eine gute Mischbarkeit in ein flüssiges PCM, als auch ein Rückhaltevermögen des PCM im PCM-V gewährleistet ist.
- Durch eine zweite erfindungswesentliche Beimischung eines weiteren Pulvers, nämlich CaCO3 PCC (Precipated Calcium Carbonat) wird überraschenderweise eine Eigenschaftsveränderung, nämlich die eines Kristallisationskeimbildner, durch nanoskaliges PCC mit einer Rhombohedral Crystal Structure, hervorgerufen
- Durch die dritte erfindungswesentliche Beimischung eines offenporiges Pulver- Material, wird das Rückhalte- und Aufnahmevermögen in Kapillare und Poren für ein flüssiges Paraffin erhöht.
- Beispiel 1 zur Herstellung der Komponente B
- Materialbedarf
-
TPE (Thermoplastischer Elastomer) : Kuray Septon 4077 (S-E-EP-S) PCC (Calcium Carbonat) : m h minerals CaCO3 Offenporiges Pulvermaterial : Imerys Danamol DA 500 K - Gewichtsanteile zur Herstellung von 1.000 Gramm Komponente B
-
TPE : 900 Gramm PCC : 50 Gramm Offenporiges Pulvermaterial : 50 Gramm - Mix-Prozess:
- Die drei Gewichtsanteile werden in einem Behältnis zusammengeschüttet und trocken mit einem Mixerstab für 15 Minuten bei Raumtemperatur gemischt. Diese Mischung bildet die Komponente B.
- Für die Komponente A eines PCM-V mit einer Schmelztemperatur von 5 ° C wurde als PCM ein n-tetradecane der Fa. Sasol, Linpar 14-99 ausgewählt. Die Komponente A für ein PCM-V mit einer Schmelztemperatur von 21°C besteht aus einem PCM der Fa. Croda, Crodatherm 21 (C17 H36).
- Es zeigte sich nun überraschender Weise, dass beide Komponenten A und B in einem Mischgefäß zusammengeschüttet, und mit einem High Shear Mix Blade zwischen 3 bis 15 Minuten, bevorzugt 5 Minuten, in dem oberhalb seines Schmelzpunkt befindlichen flüssigen PCM, mischbar sind. Die Komponente B liegt gleichmäßig verteilt in dem flüssigen PCM, hier die der Komponente A, vor.
- Um das Absetzen (Sedimentierung) der Komponente B von A im Mischgefäß zu verhindern, soll die Mischung kontinuierlich gerührt bleiben. Ein evtl. Absetzen der Komponenten bei Stillstand des Mixvorgang kann zeitlich kurz vor der Entnahme, durch erneutes Mischen beseitigt werden.
- Ein Fördern der jeweilig flüssigen, oberhalb seiner Schmelztemperatur befindlichen Komponente A und B aus dem Mischgefäß in ein beliebiges Behältnis, kann durch Gravitation oder Unterstützung durch Vakuum oder einer Pumpe erfolgen. Die so hergestellte Mischung kann in handelsübliche Dosier- und Abfüllanlagen in metallische/nichtmetallische Hohlkörper, Folientaschen, tiefgezogene Kassetten vorzugsweise aus PA/PE Folien gefertigt, abgefüllt werden.
- Das mit dem gewünschten Füllstand der flüssigen Komponente A und B gefüllte Behältnis muss zu seinem Tempervorgang in einen Warmluftofen eingestellt werden. Es ist sicherzustellen, dass eine Isotherme von 70°C bis 80°C, bevorzugt 75°C innerhalb der Mischung bestehend aus Komponente A und B, vorhanden ist.
- Die notwendige Verbleibzeit im Warmluftofen ist Material- Geometrie- und Massenabhängig. Gute Ergebnisse wurden bei Schichtdicken kleiner 5 mm unterhalb 30 Minuten Verweilzeit erreicht, für Schichtdicken größer 20 mm wurde einer Verweilzeit oberhalb 120 Minuten notwendig.
- Zusätzlich kann das Erreichen der beschriebenen Isotherme innerhalb der Komponente A und B durch eine zusätzliche Verwendung bekannter wärmeleitfähigeren Materialien beeinflusst werden.
- Neben der beschriebenen Energieeinsparung im Mischprozess der Komponente B in Komponente A, wird ein weitere bedeutende Kostenreduzierung durch einen geringeren Gew. %-Anteil der Komponente B in Komponente A erzielt.
- Es zeigte sich überraschenderweise, dass durch die Verwendung der Komponente B es ermöglicht wurde, ihre Gew.-% Anteile von 8 Gew.-% auf 4 Gew.-% unter Beibehaltung der gewünschten Eigenschaften zu reduzieren.
- Materialeinsparungsbeispiele der Komponente B
- Beispiel 1 für 8 Gew.-% der Komponente B in Komponente A
- Mix - Prozess Komponente A und B
Komponente A : 920 g Komponente B : 80 g - Beispiel 2 für 6 Gew.-% der Komponente B in Komponente A
- Mix-Prozess Komponente A und B
Komponente A : 920 g Komponente B : 60 g - Beispiel 3 für 4 Gew.-% der Komponente B in Komponente A
- Mix-Prozess Komponente A und B
Komponente A : 920 g Komponente B : 40 g - Bei der unter Beispiel 1 beschriebenen Zusammensetzung wurde eine Entropieelastizität von 700% erzielt. Abmessung des PCM-V Probekörpers sind 100 mm X 30 mm X 12 mm, ungedehnt.
- Abweichungen in den bevorzugten Mischungsanteilen und Temperaturen sind möglich. Somit kann auf veränderte Anforderungen an das PCM-V reagiert werden.
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
- US 20140290285 A1 [0016]
- US 020140087105 A1 [0016]
- WO 002015148748 A1 [0016]
- WO 002014052409 A3 [0016]
Claims (5)
- Ein formstabiles und auslaufsicheres Energiespeichermedium, bestehend aus einer Komponente A und Komponente B welche unmittelbar nach Überschreiten der Schmelztemperatur von Komponente A unter Beibehaltung seiner Schmelztemperatur- und Enthalpie mit Komponente B gemischt wurde, in Behältnisse abgefüllt, anschließend durch einem nachgeschalteten Tempervorgang in einem Warmluftofen formstabil, auslaufsicher sowie seiner Entropieelastizität bis zu einer Temperaturbeaufschlagung von 70°C bis 80°C herstellbar ist.
- Energiespeichermedium nach
Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Komponente B im Mischungsverhältnis von 4 bis 8 Gew.-% innerhalb der Komponente A gemischt ist, und jeweils gewünschte Eigenschaften wie Formstabilität und Auslaufsicherheit sowie Entropieelastizität bis zur Erwärmung von 80°C, auch nach Beschädigung seiner Umhüllung, besitzt. - Energiespeichermedium nach
Anspruch 1 und2 dadurch gekennzeichnet, dass eine Mischung der Komponente B in die sich unmittelbar oberhalb seiner Schmelztemperatur von fest zu flüssig befindliche Komponente A, erfolgt. Ein zusätzlicher Energieeintrag durch Wärme ist bei dem erforderlichen Mischvorgang, dem Einbringen der Komponente B und ihrer darin enthaltenen Bestandteile, nicht erforderlich. - Energiespeichermedium nach vorherigen Ansprüchen dadurch gekennzeichnet, dass die in metallische/nichtmetallische Behältnisse oder Folien eingefüllte Mischung bestehend aus Komponente A und B einem nachgeschaltetem Tempervorgang unterzogen wird. Der Tempervorgang ist abhängig von der Einfüllmasse und Geometrie des Energiespeichermedium.
- Energiespeichermedium nach
Anspruch 1 bis4 dadurch gekennzeichnet, dass die nach vorherigen Ansprüchen hergestellte Mischung, nun als PCM-V bezeichnet, eine deutliche Vereinfachung und Kostenreduzierung im Herstellungsprozess und seiner Energiebedarfseinsparung bei seinem Mischprozess aufweist.
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