DE102021100156A1 - Latentwärmespeicher mit einem Auslösemechanismus - Google Patents

Latentwärmespeicher mit einem Auslösemechanismus Download PDF

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Abstract

Es wird ein Latentwärmespeicher mit einem in einem Hauptspeicher aufgenommenen Phasenwechselmaterial vorgeschlagen, welcher einen Auslösemechanismus zum Auslösen der Kristallisation des in dem Hauptspeicher aufgenommenen Phasenwechselmaterials aufweist, wenn dieses in einem metastabilen Unterkühlungsbereich vorliegt. Der Auslösemechanismus umfasst einen Hilfsspeicher, in welchem ein mit einem Kristallisationskeimbildner in Kontakt stehendes Phasenwechselmaterial aufgenommen ist und welcher mit dem Hauptspeicher über ein sowohl öffenbares als auch verschließbares Ventilelement in Verbindung steht. Um einen Eintrag von Fremdstoffen in den Hauptspeicher zu verhindern, sieht die Erfindung vor, dass in dem Hilfsspeicher des Auslösemechanismus' dasselbe Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers aufgenommen ist, welches mit dem Kristallisationskeimbildner in Kontakt steht und mit einem Gelbildner versetzt ist, um den Kristallisationskeimbildner in dem Hilfsspeicher zu immobilisieren.

Description

  • Die Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher mit wenigstens einem, in wenigstens einem Hauptspeicher 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,
    aufweist, und mit wenigstens einem Auslösemechanismus zum Auslösen der Kristallisation des in dem Hauptspeicher aufgenommenen Phasenwechselmaterials, wenn dieses in einem metastabilen Unterkühlungsbereich zwischen seiner Kristallisationstemperatur und seiner Schmelztemperatur vorliegt, wobei der Auslösemechanismus wenigstens einen Hilfsspeicher aufweist, in welchem ein mit einem Kristallisationskeimbildner in Kontakt stehendes Phasenwechselmaterial aufgenommen ist und welcher mit dem Hauptspeicher über ein sowohl öffenbares als auch verschließbares Ventilelement in Verbindung steht.
  • Latentwärmespeicher sind in verschiedenen Ausgestaltungen bekannt, wobei ihr Wärmespeichervermögen auf dem in dem Hauptspeicher des Latentwärmespeichers 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, aber auch einige organische, insbesondere polymere Verbindungen, wie z.B. einige Paraffine, Fette, Ester und dergleichen. 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 geschmolzenen Zustand übergeht, welcher in der Regel flüssig oder viskos ist und in welchem Wärme über einen langen Zeitraum gespeichert werden kann. Während des Abkühlens verbleibt das Phasenwechselmaterial sodann über einen relativ breiten Temperaturbereich bis hin zu einem unterkühlten Schmelzbereich in einem metastabilen Zustand in flüssiger oder viskoser Phase, bis es seine Kristallisationstemperatur erreicht. Kristallisiert das Phasenwechselmaterial dann aus, so erwärmt sich das Phasenwechselmaterial infolge der hierbei freiwerdenden Kristallisationswärme, d.h. es geht exotherm von seinem geschmolzenen Zustand im metastabilen Unterkühlungsbereich in den kristallinen Zustand über. Die Differenz zwischen der Kristallisationstemperatur und der Schmelztemperatur von Phasenwechselmaterialien, innerhalb welcher sie in ihrem metastabilen Unterkühlungsbereich vorliegen, wird auch als „Schmelzhysterese“ bezeichnet. In diesem Zustand der unterkühlten Schmelze treten nicht bzw. nicht ausreichend große Eigenkeime auf, an welchen ein Kristallwachstum möglich wäre, weshalb die (exotherme) Kristallisation dort noch nicht einsetzt. Wird bei weiterer Abkühlung zumindest auf die Kristallisationstemperatur die Anzahl an Kristallisationskeimen erhöht bzw. werden größere Eigenkeime gebildet, so setzt die (exotherme) Kristallisation ein und die unterkühlte Schmelze geht in den kristallinen Zustand über. Das Phasenwechselmaterial kristallisiert aus und setzt dabei seine Kristallisationswärme frei, wodurch es sich bis auf die Schmelztemperatur erwärmen kann. Ferner kann in dem metastabilen bzw. unterkühlten Schmelzbereich des Phasenwechselmaterials auch gezielt eine Kristallisation ausgelöst werden, wie beispielsweise durch Exposition der unterkühlten Schmelze mit Eigen- oder Fremdkeimen, durch mechanische Einwirkungen und hierdurch induzierter Keimbildung oder durch eine elektrochemischen Aktivierung mittels in dem Latentwärmespeicher angeordneter Elektroden etc.
  • 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 („TSchmelz-PCM“), ihrer Schmelzenthalpie („ΔHSchmelz-PCM“) und ihrem sich zwischen der Schmelz- und der Kristallisationstemperatur erstreckenden metastabilen Unterkühlungstemperaturbereich („ΔTU-PCM“) 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, Lithiumnitrat-Trihydrat (LiNO3 · 3 H2O) mit einer Schmelztemperatur von 29°C oder Magnesiumchlorid-Hexahydrat (MgCl2 · 6 H2O, Bischofit) mit einer Schmelztemperatur von 117°C.
    PCM TSchmelz-PCM ΔTU-PCM ΔHSchmelz-PCM
    (CaCl2 · 6 H2O) 30°C 20°C 190 J/g
    (CH3COONa · 3 H2O) 58°C 70°C 230 J/g
    (Na2SO4 · 5 H2O) 48°C 25°C 206 J/g
    (Na2SO4 · 10 H2O) 32°C 25°C 254 J/g
  • 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, in Pufferspeichern für Wärmepumpen, für wärmespeichernde Fußboden- und Wandheizelemente bis hin zu Hand- bzw. Taschenwärmern Anwendung finden können. Ein weiteres Anwendungsgebiet von Latentwärmespeichern umfasst die energieautarke Temperierung von Behältnissen, z.B. in Form von Transport- und Lagerbehältern für verderbliche Güter, wie Lebensmitteln, Arzneimitteln, Chemikalien etc., in Form von Gehäusen oder Einhausungen für temperaturempfindliche Bauteile, z.B. in Form von elektronischen Schaltungen und anderen elektronischen Komponenten, Batterien und Akkumulatoren etc., in Form von Reaktions- und Lagerbehälter für chemische oder pharmazeutische Substanzen etc., wobei ein in einem solchen Behältnis befindlicher Gegenstand für längere Zeit in einem Soll-Temperaturbereich gehalten werden kann, welcher von dem für den Latentwärmespeicher ausgewählten Phasenwechselmaterial, wie insbesondere von dessen Schmelz- bzw. Kristallisationstemperatur, abhängt.
  • Um die in einem metastabilen Zustand befindliche unterkühlte Schmelze des in dem Hauptspeicher des Latentwärmespeichers aufgenommenen Phasenwechselmaterials in den kristallinen Zustand zu überführen, so dass die hierbei freiwerdende Kristallisationswärme genutzt werden kann, verfügen gattungsgemäße Latentwärmespeicher über einen Auslösemechanismus, mittels welchem die Kristallisation des Phasenwechselmaterials möglichst zuverlässig, reproduzierbar und wiederholt zyklenstabil initiiert werden können sollte. Unter „zuverlässig“ ist in diesem Zusammenhang gemeint, dass zumindest nahezu jedes Auslösen des Auslösemechanismus' zu einer Kristallisation des in seinem metastabilen Unterkühlungsbereich befindlichen Phasenwechselmaterials in dem Hauptspeicher des Latentwärmespeichers führt, was insbesondere auch im Falle von ungünstigen Umgebungsbedingungen, wie mechanischen Einwirkungen, z.B. in Form von Stößen oder Vibrationen, Temperatur- oder Lageänderungen etc., gelten sollte. Mit „reproduzierbar“ ist in diesem Zusammenhang angesprochen, dass die Kristallisation des in seinem metastabilen Unterkühlungsbereich befindlichen Phasenwechselmaterials in dem Hauptspeicher des Latentwärmespeichers nicht zufällig ausgelöst werden darf, ohne dass der Auslösemechanismus eine Kristallisation ausgelöst hat. Unter „zyklenstabil“ ist schließlich zu verstehen, dass die zuverlässige und reproduzierbare Initiierung einer Kristallisation des in seinem metastabilen Unterkühlungsbereich befindlichen Phasenwechselmaterials in dem Hauptspeicher des Latentwärmespeichers mittels des Auslösemechanismus' über einen langen Zeitraum von vielen Zyklen, wie insbesondere mindestens 100 oder mindestens 1000 Zyklen, im Wesentlichen unverändert aufrechterhalten bleibt, ohne dass es mit einer zunehmenden Anzahl an Speicherzyklen zu einer signifikanten Verringerung des Wärmespeichervermögens des in dem Hauptspeicher aufgenommenen Phasenwechselmaterials kommt. Ein „Speicherzyklus“ umfasst dabei das einmalige, mittels des Auslösemechanismus' initiierte Auskristallisieren des Phasenwechselmaterials unter Freisetzung der Kristallisationswärme sowie das anschließende Regenerieren des Phasenwechselmaterials, indem dieses wieder zumindest auf seine Schmelztemperatur erwärmt und im Wesentlichen vollständig aufgeschmolzen wird, um in einem darauffolgenden Speicherzyklus die hierbei aufgenommene Wärme abermals abgeben zu können.
  • Zum Initiieren einer Kristallisation des in seinem metastabilen Unterkühlungsbereich vorliegenden Phasenwechselmaterials sind aus dem Stand der Technik eine Vielzahl an unterschiedlichen Auslösemechanismen bekannt, wie beispielsweise die Zugabe eines Kristallisationskeimbildners in Form von Fremdkeimen oder Eigenkeimen, wobei letztere z.B. dadurch lokal erzeugt werden können, indem eine lokale mechanische Stoßbelastung erzielt ausgeübt wird (vgl. z.B. die DE 601 07 382 T2 , DE 102 01 046 342 A1 , EP 0 350 460 A1 oder US 5 378 337 A ). Weitere Möglichkeiten der Initiierung einer Keimbildung in dem unterkühlten Phasenwechselmaterial bestehen beispielsweise in einer lokalen Abkühlung der unterkühlten Schmelze auf die Kristallisationstemperatur des Phasenwechselmaterials, z.B. mittels eines Peltier-Elementes (vgl. z.B. die DE 10 2010 063 057 A1 ) oder in einer elektrochemischen Aktivierung mittels in dem Hauptspeicher angeordneter Elektroden. Als nachteilig erweist sich insbesondere der relativ komplexe Aufbau solcher Auslösemechanismen, welche zudem eine relativ hohe Energiezufuhr benötigen, um eine Kristallisation der unterkühlten Schmelze des Phasenwechselmaterials initiieren und die hierbei freiwerdende Wärme nutzen zu können, und welche hinsichtlich eines zuverlässigen Auslösens der Kristallisation des Phasenwechselmaterials zuweilen zu wünschen übrig lassen.
  • Als besonders zuverlässig haben sich bislang Auslösemechanismen erwiesen, welche auf einer Initiierung einer Kristallisation des im metastabilen Unterkühlungsbereich befindlichen Phasenwechselmaterials mittels Zugabe von Kristallisationskeimen beruhen. So beschreibt die DE 29 07 366 A1 einen Latentwärmespeicher, in dessen Hauptspeicher ein Phasenwechselmaterial aufgenommen ist. Ein Auslösemechanismus umfasst eine Impfnadel, welche zum Initiieren einer Kristallisation des Phasenwechselmaterials eine Dichtung aus Silikongummi des Hauptspeichers durchstößt. Beim Zurückziehen der Impfnadel aus dem Hauptspeicher durch die Dichtung hindurch bleibt ein kleiner Anteil an Kristallen des Phasenwechselmaterials an der Impfnadel zurück, welcher beim jeweils nächsten Impfen als Eigenkeim dient. Hierbei muss allerdings sichergestellt werden, dass der an der Impfnadel zurückbleibende Eigenkeim stets unterhalb seiner Schmelztemperatur gehalten werden muss, was in der Praxis schwerlich oder nur mit erheblichem Aufwand möglich ist. Zudem wird die Dichtung mit zunehmender Häufigkeit der Impfung undicht und bedarf eines Austausches, so dass Verunreinigungen in das Phasenwechselmaterial eindringen können und eine zuverlässige Auslösung einer Kristallisation des Phasenwechselmaterials insgesamt nicht möglich ist.
  • Die EP 0 103 450 A1 beschreibt einen Latentwärmespeicher mit einem in einem Hauptspeicher aufgenommenen Phasenwechselmaterial auf der Basis von Salzhydraten sowie einem Auslösemechanismus, welcher in einem Hilfsspeicher bevorratete Fremdkeime umfasst. Zum Auslösen einer Kristallisation des Phasenwechselmaterials wird ein Anteil der Fremdkeime mittels eines Stempels aus dem Hilfsspeicher in den Hauptspeicher überführt, wobei die Fremdkeime anlässlich der darauffolgenden Regenerierung des Phasenwechselmaterials gemeinsam mit diesem geschmolzen und in dem geschmolzenen Phasenwechselmaterial gelöst werden, so dass die Fremdkeime keine weitere Kristallisation mehr auszulösen vermögen. Ein Nachteil besteht insbesondere darin, dass die Zusammensetzung des Phasenwechselmaterials mit zunehmendem Eintrag der Fremdkeime verändert wird, was sowohl mit einer zunehmenden Verschlechterung der Reproduzierbarkeit (mit zunehmendem Anteil an Fremdkeimen in dem Phasenwechselmaterial besteht die Gefahr einer nicht mittels des Auslosemechanismus initiierten, zufälligen Kristallisation im metastabilen Unterkühlungsbereich) als auch der Zyklenstabilität (mit zunehmendem Anteil an Verunreinigungen des Phasenwechselmaterials wird dessen Wärmespeicherkapazität beeinträchtigt) einhergeht. Zudem ist der Anteil an Fremdkeimen endlich und muss der Hilfsspeicher daher in regelmäßigen Zeitabständen nachgefüllt werden.
  • Ein ähnlicher Auslösemechanismus ist aus der DE 10 2017 210 002 A1 bekannt, welcher gleichfalls einen oberhalb eines Hauptspeichers zur Aufnahme des Phasenwechselmaterials angeordneten Hilfsspeicher mit Kristallisationskeimen umfasst, welche zum Auslösen einer Kristallisation des Phasenwechselmaterials aus dem Hilfsspeicher in den Hauptspeicher eingestreut werden. Sofern es sich bei den Kristallisationskeimen um reine Eigenkeime handelt, gilt in Bezug auf die Nachteile im Wesentlichen das oben zur DE 29 07 366 A1 gesagte. Sofern es sich bei den Kristallisationskeimen um Fremdkeime oder um mit Additiven, wie Fremdkeime, Gelbildner, Thixotropie-Modifikatoren und dergleichen, versetzte Eigenkeime handelt, so werden auch hier - ähnlich der oben beschriebenen EP 0 103 450 A1 - dem in dem Hauptspeicher befindlichen Phasenwechselmaterial bei jedem Auslösen der Kristallisation fortwährend Fremdstoffe zugesetzt, welche in zunehmendem Maße eine reproduzierbare Unterkühlung des Phasenwechselmaterials beeinträchtigen und die Zyklenstabilität in zunehmendem Maße verringern. Zudem ist der Anteil an Fremdkeimen auch in diesem Fall endlich und muss der Hilfsspeicher in regelmäßigen Zeitabständen nachgefüllt werden.
  • In der DE 20 2014 212 404 A1 geht es um einen weiteren Latentwärmespeicher mit einem in einem Hauptspeicher aufgenommenen ersten Phasenwechselmaterial sowie mit einem Auslösemechanismus zum Initiieren einer Kristallisation des ersten Phasenwechselmaterials, wenn sich dieses im metastabilen Unterkühlungsbereich befindet. Gemäß einer Ausführungsform kann ein gattungsgemäßer Auslösemechanismus vorgesehen sein, welcher einen Hilfsspeicher umfasst, in welchem ein mit einem Kristallisationskeimbildner in Kontakt stehendes zweites Phasenwechselmaterial aufgenommen ist und welcher mit dem Hauptspeicher über ein sowohl öffenbares als auch verschließbares Ventilelement in Verbindung steht. Auf diese Weise tritt das in dem Hauptspeicher befindliche erste Phasenwechselmaterial nicht unmittelbar mit dem in dem Hilfsspeicher aufgenommenen Kristallisationskeimbildner in Kontakt, sondern vornehmlich mit dem in dem Hilfsspeicher aufgenommenen zweiten Phasenwechselmaterial, welches somit als „indirekter“ Kristallisationskeimbildner zu wirken vermag, da infolge des Kontaktes des zweiten Phasenwechselmaterials mit dem Kristallisationskeimbildner sichergestellt ist, dass sich das zweite Phasenwechselmaterial bereits in der kristallinen Phase befindet, so lange sich das in dem Hauptspeicher aufgenommene erste Phasenwechselmaterial noch in seinem metastabilen Unterkühlungsbereich, also innerhalb seiner Schmelzhysterese, befindet. Allerdings muss der Kristallisationskeim in diesem Fall in dem Hilfsspeicher örtlich fixiert sein, was - sofern keine zusätzlichen Fremdstoffe, wie Klebstoffe oder dergleichen, zum Einsatz gelangen sollen - mittels einer dem Hilfsspeicher zugeordneten Kühleinrichtung geschehen kann, welche den Kristallisationskeim vor einem Schmelzen bewahrt, aber ihn nicht örtlich zu fixieren vermag, so dass Anteile desselben in das zweite Phasenwechselmaterial migrieren und/oder dort gelöst werden können. Solche Anteile des Kristallisationskeimbildners können sich insbesondere dann praktisch homogen mit dem zweiten Phasenwechselmaterial vermischen, wenn sich diese im geschmolzenen Zustand oberhalb seiner Schmelztemperatur befindet, so dass Anteile des Kristallisationskeimbildners wiederum in das erste Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher gelangen können, was aus den obigen Gründen mit einer Beeinträchtigung der Reproduzierbarkeit und der Zyklenstabilität einhergeht. Entsprechendes gilt für den Fall, dass das erste Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers beim Auslösen seiner Kristallisation mit dem zweiten Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers kontaminiert wird.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Latentwärmespeicher der eingangs genannten Art auf einfache und kostengünstige Weise dahingehend weiterzubilden, dass sein Auslösemechanismus eine größtmögliche Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und wiederholte Zyklenstabilität besitzt.
  • Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einem Latentwärmespeicher der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass in dem Hilfsspeicher des Auslösemechanismus' dasselbe Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers aufgenommen ist, welches mit dem Kristallisationskeimbildner in Kontakt steht und mit wenigstens einem Gelbildner versetzt ist, um den Kristallisationskeimbildner in dem Hilfsspeicher zu immobilisieren, wobei der Hilfsspeicher über das sowohl öffenbare als auch verschließbare Ventilelement derart mit dem Hauptspeicher in Verbindung steht, dass
    • - bei geöffnetem Ventilelement das mit dem Kristallisationskeimbildner in Kontakt stehende und mit dem Gelbildner versetzte Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher mit dem Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher in Kontakt steht, um dessen Kristallisation auszulösen; und
    • - bei geschlossenem Ventilelement das mit dem Kristallisationskeimbildner in Kontakt stehende und mit dem Gelbildner versetzte Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher mit dem Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher außer Kontakt steht.
  • Die erfindungsgemäße Ausgestaltung stellt einerseits aufgrund des Zusatzes des Gelbildner zu dem in dem Hilfsspeicher aufgenommenen Phasenwechselmaterial sicher, dass der hiermit in Kontakt stehende Kristallisationskeimbildner stets sicher und zuverlässig immobilisiert ist auch nicht in das in dem Hauptspeicher befindliche Phasenwechselmaterial gelangen kann, was insbesondere auch dann gilt, wenn sich das in dem Hilfsspeicher befindliche Phasenwechselmaterial oberhalb seiner Schmelztemperatur befindet (z.B. bei der Regeneration des Latentwärmespeichers oder aufgrund äußerer Erwärmung), da dem in dem Hilfsspeicher befindlichen Phasenwechselmaterial durch den Gelbildner eine solche Viskosität verliehen ist, dass es nicht mehr fließfähig ist. Folglich wird eine Migration des Kristallisationskeimbildners - sei er fest oder sei er zumindest teilweise in dem Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers gelöst - in dem Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers infolge von konvektiven Vorgängen, Diffusionsprozessen und dergleichen auch dann, wenn das Phasenwechselmaterial auf eine Temperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt worden ist, im Wesentlichen gänzlich unterbunden oder zumindest so weit verlangsamt, dass kein oder ein allenfalls minimaler Eintrag des Kristallisationskeimbildners in das Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers stattfinden kann und der Latentwärmespeicher über seine gesamte Lebensdauer zuverlässig mit gleichbleibender Zyklenstabilität betrieben werden kann. Andererseits wird aufgrund dessen, dass es sich bei dem Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers, welches mit dem Kristallisationskeimbildner in Kontakt steht und folglich bereits dann in seine kristalline Phase überführt wird, so lange sich das Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher noch in seinem metastabilen Unterkühlungsbereich befindet, erfindungsgemäß um dasselbe Phasenwechselmaterial wie jenes des Hauptspeichers handelt, sichergestellt, dass beim Auslösen der exothermen Kristallisation des Phasenwechselmaterials des Hauptspeichers, wenn dieses bei geöffnetem Ventilelement mit dem bereits kristallisierten und vergelten Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers in Kontakt tritt, auch keine weiteren Verunreinigungen in das Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers eingetragen werden können, welche sein Wärmespeichervermögen negativ beeinträchtigen könnten. Folglich werden die stofflichen Zusammensetzungen weder des Phasenwechselmaterials des Hauptspeichers noch jenes des Hilfsspeichers, welches mit dem Kristallisationskeimbildner in Kontakt steht und diesen aufgrund seines Anteils an Gelbildner immobilisiert, auch bei fortwährenden Arbeitszyklen des Latentwärmespeichers nicht verändert, was zu einer größtmöglichen Zuverlässigkeit des Auslösemechanismus' sowie zu einer größtmöglichen Reproduzierbarkeit der Kristallisation des in seinem metastabilen Unterkühlungsbereich befindlichen Phasenwechselmaterials in dem Hauptspeicher bei einer größtmöglichen Zyklenstabilität führt.
  • In konstruktiver Hinsicht bietet die Erfindung der Ausgestaltung des Latentwärmespeichers sehr große Freiräume, wobei der Hilfsspeicher je nach gewünschter Anwendung und Bauform beispielsweise im Innern des Hauptspeichers angeordnet sein kann, oder der Hilfsspeicher kann außerhalb des Hauptspeichers angeordnet sein und lediglich über das Ventilelement mit diesem kommunizieren.
  • Wie bereits erwähnt, sollte der Anteil an Gelbildner zweckmäßigerweise derart gewählt werden, dass die Viskosität des in dem Hilfsspeicher aufgenommenen Phasenwechselmaterials auch dann, wenn es auf eine Temperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt worden ist, nicht mehr fließfähig ist, wobei ein hinreichender Anteil an Gelbildner seitens des Fachmanns je nach eingesetztem Phasenwechselmaterial bzw. je nach eingesetztem Gelbildner durch einfache Mischungsversuche experimentell ermittelt werden kann. Die Auswahl des Gelbildners richtet sich vornehmlich nach dem jeweils verwendeten Phasenwechselmaterial, wobei grundsätzlich beliebige bekannte Gelbildner zum Einsatz gelangen können, wie sie als solches zur Vergelung von Phasenwechselmaterialien aus dem Stand der Technik bekannt sind. Beispiele möglicher Gelbildner umfassen - wenngleich nicht ausschließlich - Siliciumoxid, vorzugsweise in feinpartikulärer Form, sowie insbesondere Kieselsäure und deren Derivat; Polysaccharide, wie z.B. Carrageene, Agar, Alginate, Pektin einschließlich dessen Derivate sowie funktionalisiertem Pektin, Cellulose und deren Derivate, z.B. in Form von Celluloseethern, wie Carboxymethylcellulose (CMC) etc., Celluloseacetat, z.B. in Form von Carboxymethylcellulose-Natriumsalz (CMC), und dergleichen; Proteine, wie z.B. Gelatine; natürliche und/oder synthetische Polymere, wie z.B. thermoplastische Elastomere (TPE), insbesondere auf Polyurethanbasis (TPU), Polyacrylamide, Polyvinylpyrrolidone etc.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass ferner das in dem Hauptspeicher aufgenommene Phasenwechselmaterial mit wenigstens einem Gelbildner versetzt ist, um das Phasenwechselmaterial in als solcher bekannter Weise in seiner schmelzflüssigen Phase zu gelieren und somit zu verhindern, dass im Falle von Leckagen des Hauptspeichers des Latentwärmespeichers größere Mengen an Phasenwechselmaterial freigesetzt werden können. Darüber hinaus lässt sich durch einen Anteil an Gelbildner auch des Phasenwechselmaterials des Hauptspeichers die Zyklenstabilität dadurch optimieren, indem auch ein geringfügiger Eintrag an Gelbildner aus dem Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers in jenes des Hauptspeichers zu praktisch keiner stofflichen Veränderung des Phasenwechselmaterials des Hauptspeichers mehr führt. Der Anteil an Gelbildner des Phasenwechselmaterials des Hauptspeichers, welcher beispielsweise geringer sein kann als jener des Phasenwechselmaterials des Hilfsspeichers, kann zweckmäßigerweise derart eingestellt werden, dass einerseits das im metastabilen Unterkühlungsbereich befindliche Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers, d.h. innerhalb seiner Schmelzhysterese, jedenfalls nicht so weit verdünnt wird, dass einzelne Gelpartikel aus dem vergelten Phasenwechselmaterial ausfallen können, und dass andererseits ein hinreichend hoher Anteil an Gelbildner vorhanden ist, dass das Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers auch oberhalb seiner Schmelztemperatur eine gegenüber seinem schmelzflüssigen Zustand erhöhte Viskosität besitzt. Bei dem Gelbildner des Phasenwechselmaterials des Hauptspeichers kann es sich dabei aus den vorgenannten Gründen insbesondere um denselben Gelbildner wie jener des in dem Hilfsspeicher aufgenommenen Phasenwechselmaterials handeln, wobei in Bezug auf mögliche Gelbildner auf die obigen Ausführungen verwiesen sei.
  • Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform kann der Kristallisationskeimbildner von wenigstens einem Feststoff mit einer Schmelztemperatur oberhalb jener des Phasenwechselmaterials gebildet sein, wobei es sich bei dem Kristallisationskeimbildner beispielsweise um Fremdkeime von anderen Phasenwechselmaterialien oder insbesondere um herkömmlichen kristallinen Substanzen handeln kann, welche zumindest im metastabilen Unterkühlungstemperaturbereich des Phasenwechselmaterials (noch) im kristallinen Zustand vorliegen und somit eine Kristallisation des Phasenwechselmaterials des Hilfsspeichers oberhalb seiner eigentlichen Kristallisationstemperatur, vorzugsweise nahe oder im Wesentlichen bei seiner Schmelztemperatur, bewirken. Geeignete Keimbildner für verschiedene Phasenwechselmaterialien sind als solche aus der Literatur bekannt und umfassen beispielsweise Dinatriumtetraborat-Decahydrat (Na2[B4O5(OH)4] · 8 H2O, Borax) für das Phasenwechselmaterial Natriumsulfat-Decahydrat (Na2SO4 · 10 H2O, Glaubersalz); Bariumcarbonat (Ba2CO3) oder Kaliumcarbonat (K2CO3) für das Phasenwechselmaterial Calciumchlorid-Hexahydrat (CaCl2 · 6 H2O); Dinatriumhydrogenphosphat-Dodecahydrat (Na2HPO4 · 12 H2O), Nanopartikel aus Silber (Ag) oder Eisenoxid (Fe2O3) für das Phasenwechselmaterial Natriumacetat-Trihydrat (CH3COONa . 3 H2O); Bariumoxid (BaO) oder Magnesiumhydroxid (Mg(OH)2) für das Phasenwechselmaterial Magnesiumchlorid-Hexahydrat (MgCl2 · 6 H2O, Bischofit) etc. Der feste Kristallisationskeimbildner kann dabei vorzugsweise sowohl in dem Phasenwechselmaterial als auch in dem Gelbildner im Wesentlichen unlöslich sein, oder er kann hierin auch teilweise löslich sein, da er - wie oben erwähnt - aufgrund der Gelierung des Phasenwechselmaterials des Hilfsspeichers davor bewahrt ist, in nennenswertem Ausmaß in das Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers hinein zu migrieren und von dort in das Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers zu gelangen. Alternativ oder zusätzlich kann es sich bei dem in dem Hilfsspeicher immobilisierten festen Kristallisationskeimbildner beispielsweise auch um mit dem Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers in Kontakt stehende Oberflächenstrukturen handeln, z.B. in Form einer erhöhten Rauigkeit, vorspringender Kanten, Ecken oder dergleichen, oder der Hilfsspeicher kann beispielsweise wenigstens einen mit dem Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers in Kontakt stehenden, mit Oberflächenstrukturen versehenen Einsatz aufweisen, welcher seinerseits z.B. eine erhöhte Rauigkeit, vorspringende Kanten, Ecken oder dergleichen besitzt.
  • Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der Kristallisationskeimbildner im Bereich der dem Ventilelement fernen Seite des Hilfsspeichers des Auslösemechanismus' angeordnet ist, so dass der Kristallisationskeimbildner nicht gleichmäßig in dem Hilfsspeicher verteilt, sondern im Bereich der dem Ventilelement fernen Seite des Hilfsspeichers angereichert ist. Dabei kann insbesondere ein Anteil des dem Ventilelement nahen Phasenwechselmaterials in dem Hilfsspeicher des Auslösemechanismus' nicht oder mit einem geringeren Anteil des Gelbildners versetzt sein als das dem Ventilelement ferne Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher, welches mit dem Kristallisationskeimbildner in Kontakt steht. Folglich kann die Konzentration bzw. der Volumenanteil an Kristallisationskeimbildner in dem Hilfsspeicher nahe dem Ventilelement z.B. auch nahezu null oder so gering sein, dass eine Migration des Kristallisationskeimbildners aus dem vergelten Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers in das Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers praktisch ausgeschlossen ist und folglich keine signifikante Verunreinigung des Phasenwechselmaterials des Hauptspeichers stattfinden kann. Unter einer „signifikanten“ Verunreinigung ist dabei zu verstehen, dass sich das Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers nicht mehr in reproduzierbarer Weise in seinen metastabilen Unterkühlungsbereich überführen lässt und/oder die Zuverlässigkeit des Auslösemechanismus' beeinträchtigt wird. Eine solche inhomogene Verteilung des Kristallisationskeimbildners in dem Hilfsspeicher kann beispielsweise dadurch erzielt werden, indem der Hilfsspeicher an seiner dem Ventilelement fernen Seite zunächst mit dem Kristallisationskeimbildner oder mit vergeltem Phasenwechselmaterial, welches den Kristallisationskeimbildner enthält, bestückt wird, wonach der Hilfsspeicher geschichtet mit weiterem vergelten Phasenwechselmaterial befüllt wird, welches frei von Kristallisationskeimbildner ist, so dass zwischen dem Kristallisationskeimbildner und dem Ventilelement des Hilfsspeichers eine Pufferzone aus Phasenwechselmaterial geschaffen ist, welche keinen Kristallisationskeimbildner enthält, aber infolge Kristallwachstums in die kristalline Phase überführt wird, wenn der direkt mit dem Kristallisationskeimbildner in Kontakt stehende Anteil des Phasenwechselmaterials des Hilfsspeichers auskristallisiert.
  • In diesem Zusammenhang kann ferner vorgesehen sein, dass in dem Hilfsspeicher des Auslösemechanismus ein Labyrinth, z.B. in Form eines Schneckengewindes, eines Mäanders oder dergleichen, angeordnet ist, welches das Ventilelement mit der diesem fernen Seite des Hilfsspeichers, in welchem der Kristallisationskeimbildner angeordnet ist, verbindet. Auf diese Weise lässt sich der räumliche Abstand zwischen dem in dem Hilfsspeicher angeordneten Kristallisationskeimbildners und dem Ventilelement, welches den Hilfsspeicher mit dem Hauptspeicher verbindet, bei gleichwohl kompaktem Aufbau des Hilfsspeichers weiter vergrößern, um sicherzustellen, dass bei geöffnetem Ventilelement, wenn das in dem Hauptspeicher befindliche Phasenwechselmaterial in seinem metastabilen Unterkühlungsbereich kristallisiert werden soll, kein Kristallisationskeimbildner aus dem Hilfsspeicher in den Hauptspeicher gelangen kann, so dass insbesondere die Reproduzierbarkeit und die Zyklenstabilität des Latentwärmespeichers nicht beeinträchtigt wird. Darüber hinaus ist es auf diese Weise z.B. möglich, dass das Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher nahe dem Ventilelement mit einem nur vergleichsweise geringen Anteil an Gelbildner versetzt oder praktisch frei von Gelbildner ist, um oberhalb seiner Schmelztemperatur für eine lokal geringe Viskosität des Phasenwechselmaterials des Hilfsspeichers und somit für eine sehr leichtgängige Betätigung des Ventilelementes zu sorgen.
  • Alternativ oder zusätzlich kann zu den vorgenannten Zwecken vorgesehen sein, dass in dem Hilfsspeicher des Auslösemechanismus' wenigstens ein Filterelement zwischen dem Ventilelement und dem diesem fernen Bereich des Hilfsspeichers, in welchem der Kristallisationskeimbildner angeordnet ist, angeordnet ist, um gegebenenfalls in das Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers migrierte Anteile oder Partikel des Kristallisationskeimbildners in zuverlässiger Weise in dem Hilfsspeicher zurückzuhalten. Darüber hinaus lässt sich durch ein solches, als poröse Barriereschicht dienendes Filterelement die Größe der Kristallstrukturen des in dem Hilfsspeicher befindlichen Phasenwechselmaterials einschränken, so dass die Ausbreitung von Kristallisationskeimen des Phasenwechselmaterials infolge von Stofftransportvorgängen vermindert wird. Ein solches Filterelement kann beispielsweise aus Glas und/oder Keramik nach Art einer Fritte, als Sintermetallelement oder in beliebiger anderer, als solcher bekannter Weise ausgestaltet sein, wobei sich eine Porengröße des Filterelementes von vorzugsweise zwischen etwa 0,1 µm und etwa 100 µm als geeignet erwiesen hat.
  • Um für eine größtmögliche Immobilisierung des Kristallisationskeimbildners im Bereich der dem Ventilelemente fernen Seite des Hilfsspeichers zu sorgen, kann in dem Hilfsspeicher des Auslösemechanismus' ferner wenigstens eine Membran zwischen dem Ventilelement und dem diesem fernen Bereich des Hilfsspeichers, in welchem der Kristallisationskeimbildner angeordnet ist, angeordnet sein, so dass gegebenenfalls gelöste Fremdkeime des Kristallisationskeimbildners mit höchster Sicherheit in dem Hilfsspeicher zurückgehalten werden, ohne die Kristallisation des Phasenwechselmaterials in dem Hilfsspeicher zu beeinträchtigen. Eine solche Membran kann insbesondere eine auch als „Molecular Weight Cut Off“ (MWCO) bezeichnete Ausschlussgrenze zwischen etwa 50 g/mol und etwa 300 g/mol, vorzugsweise zwischen etwa 100 g/mol und etwa 200 g/mol, aufweisen, wobei diese Ausschlussgrenze als die minimale Molmasse eines Moleküls definiert ist, welches durch die Membran zu 90% zurückgehalten wird.
  • Die Membran kann vorzugsweise von dem Filterelement, wie es weiter oben beschrieben ist, abgestützt oder zwischen zwei Filterelementen angeordnet sein, um ihr eine höhere mechanische Stabilität zu verleihen und insbesondere zu verhindern, dass relativ große und/oder scharfkantige Kristalle durch die Membran hindurchwachsen bzw. diese durchstoßen.
  • Alternativ oder zusätzlich zu einem festen Kristallisationskeimbildner kann ferner vorgesehen sein, dass der Kristallisationskeimbildner in dem Phasenwechselmaterial gelöst ist, wobei er insbesondere zugleich als Gelbildner dient. Derartige Gelbildner, welche den metastabilen Unterkühlungsbereich von Phasenwechselmaterialien, insbesondere auf der Basis von Salzhydraten zu verringern und auf diese Weise als Kristallisationskeimbildner zu wirken vermögen, sind als solche aus dem Stand der Technik bekannt und umfassen beispielsweise Paraffine. In diesem Zusammenhang sei exemplarisch auf die DE 103 13 101 A1 verwiesen, welche hiermit zum Gegenstand der vorliegenden Offenbarung gemacht wird.
  • Der Hilfsspeicher des Auslösemechanismus' des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers kann im Übrigen aus einem nachgiebig elastischen Material, wie z.B. aus Silikon, Gummi oder anderen bekannten Elastomeren, gefertigt sein, um etwaige Dichteunterschiede des in dem Hilfsspeicher aufgenommenen Phasenwechselmaterials einerseits in dessen kristallinen Zustand, andererseits in dessen geschmolzenem Zustand in einfacher Weise ausgleichen zu können. Alternativ oder zusätzlich kann der Hilfsspeicher des Auslösemechanismus' beispielsweise auch unter Freilassung eines Gasraumes mit dem mit dem Kristallisationskeimbildner in Kontakt stehenden und mit dem Gelbildner versetzten Phasenwechselmaterial befüllt sein, wobei die Kompressibilität eines solchen Gasraumes gleichfalls etwaige Dichteunterschiede der vorgenannten Art auszugleichen vermag.
  • Bei dem Ventilelement des Hilfsspeichers des Auslösemechanismus' kann es sich grundsätzlich um beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte, z.B. elektrisch und/oder manuell betätigbare Ventile handeln, mittels welchen der Hilfsspeicher mit dem Hauptspeicher wahlweise verbindbar sowie abtrennbar ist. Beispiels möglicher Ventile können im Wesentlichen in Form eines Schiebers, einer Blende, eines Kugelhahnes oder dergleichen ausgestaltet sein.
  • Darüber hinaus kann das Ventilelement des Hilfsspeichers des Auslösemechanismus' in vorteilhafter Ausgestaltung wenigstens ein Zweiwege-Formgedächtnispolymer enthalten oder im Wesentlichen gänzlich hieraus gebildet sein, welches derart programmiert ist, dass das Ventilelement zwischen
    • - einer ersten Form, in welcher das Ventilelement den Hilfsspeicher des Auslösemechanismus' mit dem Hauptspeicher verbindet (das Ventilelement ist folglich geöffnet), und
    • - einer zweiten Form, in welcher das Ventilelement den Hilfsspeicher des Auslösemechanismus' von dem Hauptspeicher trennt (das Ventilelement ist folglich geschlossen), reversibel hin und her schaltbar ist, wobei das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Ventilelementes zumindest
    • - eine erste Schalttemperatur, in welcher es aus seiner zweiten Form in seine erste Form überführt wird (das Ventilelement wird also geöffnet), und
    • - eine gegenüber der ersten Schalttemperatur höhere zweite zweite Schalttemperatur, in welcher es aus seiner ersten Form in die zweite Form überführt wird (das Ventilelement wird also geschlossen),
    aufweist. In diesem Fall vermag das Ventilelement des Auslösemechanismus' ohne Zufuhr von Fremdenergie und lediglich in Abhängigkeit der Schalttemperaturen des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Ventilelementes die exotherme Kristallisation des in dem Hauptspeicher aufgenommenen Phasenwechselmaterials unter Freisetzung der Kristallisationswärme auszulösen, wenn es eine erste Schalttemperatur erreicht hat (das Ventilelement öffnet selbsttätig und verbindet das Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers mit dem kristallisierten Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers), wohingegen es anlässlich der Regenerierung des Phasenwechselmaterials, wenn dieses zumindest bis auf seine Schmelztemperatur erwärmt wird, den Hauptspeicher wieder von dem Hilfsspeicher abtrennt (das Ventilelement schließt selbsttätig, sobald es seine zweite Schalttemperatur erreicht) .
  • Bei Formgedächtnispolymeren handelt es sich bekanntlich 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 in Bezug auf ihre Formgebung im Hinblick auf einen Einweg-Formgedächtniseffekt 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. 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).
  • Darüber hinaus sind Zweiwege-Formgedächtnispolymere bekannt, wie sie für das Ventilelement des Auslösemechanismus' des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers vorzugsweise zum Einsatz gelangen können und welche Zweiwege-Formgedächtniseigenschaften aufweisen und folglich thermoreversibel geschaltet werden können, wobei die Weich- bzw. 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 als eine Schalttemperatur dienende Kristallisationstemperatur („erste Schalttemperatur“), andererseits mittels Erwärmen des Polymers in den als eine weitere Schalttemperatur dienenden Schmelz-übergangstemperaturbereich der Weichsegmente („zweite Schalttemperatur“) reversibel zwischen ihrer permanenten Form und ihrer temporären Form hin und her geschaltet werden können, d.h. das entsprechend programmierte Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Ventilelementes 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. Darüber hinaus sind derartige Zweiwege-Formgedächtnispolymere z.B. auch in Form von Polymerschäumen bekannt (M. Walter, F. Frieß, M. Krus, S. M. H. Zolanvari, G. Grün, H. Kröber, T. Pretsch: „Shape memory polymer foams with programmable apertures“, Polymers 2020, 12(9), 1914; https://doi.org/10.3390/polyml2091914).
  • Die Erfindung kann in diesem Falle nun beispielsweise vorsehen, dass der Hilfsspeicher einen mit dem Hauptspeicher kommunizierenden Durchlass aufweist, welcher mittels des Ventilelementes sowohl öffenbar als auch verschließbar ist, wobei das Ventilelement selbst und/oder ein Betätigungselement desselben wenigstens ein Zweiwege-Formgedächtnispolymer der vorbeschriebenen Art enthält oder gänzlich hieraus gebildet ist, wobei das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer derart programmiert ist, dass das Ventilelement und/oder das Betätigungselement desselben zwischen seiner ersten Form, in welcher das Ventilelement den Durchlass zumindest teilweise freigibt, und seiner zweiten Form, in welcher das Ventilelement den Durchlass verschließt, reversibel und insbesondere ohne Aufbringen äußerer Kräfte hin und her schaltbar ist. Das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Ventilelementes und/oder des Betätigungselementes besitzt hierbei zumindest eine erste Schalttemperatur, bei welcher es aus seiner zweiten Form (das Ventilelement ist geschlossen und verschließt den Durchlass) in seine erste Form (das Ventilelement ist geöffnet und gibt den Durchlass zumindest teilweise frei) überführt wird, sowie eine demgegenüber höhere zweite Schalttemperatur, bei welcher es aus seiner ersten Form (das Ventilelement ist geöffnet) in seine zweite Form (das Ventilelement geschlossen) überführt wird. Aufgrund der Zweiwege-Programmierung des Zweiwege-Formgedächtnispolymers geschieht dies in reproduzierbarer Weise bei der jeweiligen Schalttemperatur sowie energieautark.
  • Die Schalttemperaturen des Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Ventilelementes können dabei in als solcher bekannter Weise, z.B. durch entsprechende Auswahl oder Synthese eines Zweiwege-Formgedächtnispolymers mit solchen Schalttemperaturen, auf die gewünschten Beträge eingestellt werden, wobei zweckmäßigerweise vorgesehen sein kann, dass
    • - die erste Schalttemperatur des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Ventilelementes in dem metastabilen Unterkühlungsbereich des Phasenwechselmaterials zwischen dessen Kristallisationstemperatur und dessen Schmelztemperatur liegt (das Ventilelement wird folglich geöffnet, wenn sich das Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers in seinem metastabilen Unterkühlungsbereich befindet, um seine exotherme Kristallisation bei Erreichen der ersten Schalttemperatur infolge Kontaktes mit dem bereits kristallisierten Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers auszulösen); und/oder
    • - die zweite Schalttemperatur des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Ventilelementes der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials entspricht oder demgegenüber größer ist (das Ventilelement wird folglich geschlossen, wenn das Phasenwechselmaterial zumindest des Hauptspeichers anlässlich einer Regenerierung unter Wärmezufuhr geschmolzen wird, sobald es seine zweite Schalttemperatur erreicht hat).
  • Während der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher einerseits mehr oder minder energieautark sein kann, wobei das Phasenwechselmaterial zumindest des Hauptspeichers ausschließlich aufgrund der Umgebungstemperatur aufgeschmolzen werden kann, kann gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung zumindest dem das Phasenwechselmaterial aufnehmenden Hauptspeicher des erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers eine Heizeinrichtung zugeordnet sein, um das Phasenwechselmaterial zu Regenerationszwecken bedarfsweise 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 und beispielsweise von thermischer Solarenergie oder mittels Photovoltaik erzeugter elektrischer Energie betrieben sein kann.
  • Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen. Dabei zeigen:
    • 1 eine stark schematisierte Prinzipdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Latentwärmespeichers mit einem Hauptspeicher und einem Auslösemechanismus mit einem Hilfsspeicher und einem diesen mit dem Hauptspeicher verbindenden Ventilelement;
    • 2 eine stark schematisierte Detailansicht einer ersten Ausführungsform des Auslösemechanismus' des Latentwärmespeichers gemäß der 1;
    • 3 eine stark schematisierte Detailansicht einer zweiten Ausführungsform des Auslösemechanismus' des Latentwärmespeichers gemäß der 1;
    • 4 eine stark schematisierte Detailansicht einer dritten Ausführungsform des Auslösemechanismus' des Latentwärmespeichers gemäß der 1;
    • 5 eine stark schematisierte Detailansicht einer vierten Ausführungsform des Auslösemechanismus' des Latentwärmespeichers gemäß der 1;
    • 6 eine stark schematisierte Detailansicht einer fünften Ausführungsform des Auslösemechanismus' des Latentwärmespeichers gemäß der 1;
    • 7 eine stark schematisierte perspektivische Ansicht einer Ausführungsform eines Ventilelementes des Hilfsspeichers des Auslösemechanismus' des Latentwärmespeichers gemäß der 1 aus einem Zweiwege-Formgedächtnispolymer in seiner ersten Form (unten; das Ventilelement ist geöffnet) sowie in seiner zweiten Form (oben; das Ventilelement ist geschlossen);
    • 8 eine der 7 entsprechende, stark schematisierte perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Ventilelementes aus einem geschäumten Zweiwege-Formgedächtnispolymer in seiner ersten Form (unten; das Ventilelement ist geöffnet) sowie in seiner zweiten Form (oben; das Ventilelement ist geschlossen);
    • 9 eine der 7 und 8 entsprechende, stark schematisierte perspektivische Ansicht einer weiteren Ausführungsform eines Ventilelementes aus einem Zweiwege-Formgedächtnispolymer in seiner ersten Form (rechts; das Ventilelement ist geöffnet) sowie in seiner zweiten Form (oben; das Ventilelement ist geschlossen);
    • 10 eine stark schematisierte Detailansicht einer weiteren Ausführungsform des Auslösemechanismus' des Latentwärmespeichers gemäß der 1 mit einem Hilfsspeicher und einem diesen mit dem Hauptspeicher (in der 10 nicht nochmals dargestellt) verbindenden Ventilelement aus einem Zweiwege-Formgedächtnispolymer in seiner ersten Form (unten; das Ventilelement ist geöffnet) sowie in seiner zweiten Form (oben; das Ventilelement ist geschlossen);
    • 11 eine der 10 entsprechende Detailansicht einer weiteren Ausführungsform des Auslösemechanismus' mit einer anderen Ausgestaltung des Ventilelementes aus einem Zweiwege-Formgedächtnispolymer in seiner ersten Form (unten; das Ventilelement ist geöffnet) sowie in seiner zweiten Form (oben; das Ventilelement ist geschlossen); und
    • 12 eine der 10 und 11 entsprechende Detailansicht einer weiteren Ausführungsform des Auslösemechanismus' mit einer anderen Ausgestaltung des Ventilelementes aus einem Zweiwege-Formgedächtnispolymer in seiner ersten Form (unten; das Ventilelement ist geöffnet) sowie in seiner zweiten Form (oben; das Ventilelement ist geschlossen).
  • In der 1 ist eine Ausführungsform eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 versehenen Latentwärmespeichers schematisch wiedergegeben, welcher einen Hauptspeicher 2 aufweist, in welchem ein Phasenwechselmaterial oder eine Mischung aus zwei oder mehreren Phasenwechselmaterialien aufgenommen ist, bei welchen es sich beispielweise um Salzhydrate handeln kann, wie sie weiter oben beschrieben sind. Der Latentwärmespeicher 1 umfasst darüber hinaus einen Auslösemechanismus, welcher zum Auslösen der Kristallisation des in dem Hauptspeicher 2 aufgenommenen Phasenwechselmaterials dient, wenn dieses in einem metastabilen Unterkühlungsbereich zwischen seiner Kristallisationstemperatur und seiner Schmelztemperatur vorliegt, wobei der Auslösemechanismus einerseits einen Hilfsspeicher 3, andererseits ein sowohl öffenbares als auch verschließbares Ventilelement 4 aufweist, mittels welchem der Hilfsspeicher 3 mit dem Hauptspeicher in Verbindung steht. Während der Hilfsspeicher 3 bei dem vorliegenden Ausführungsbeispiel im Innern des Hauptspeichers 2 angeordnet ist, kann er selbstverständlich auch außerhalb desselben angeordnet sein und gleichfalls über das Ventilelement 4 mit dem Hauptspeicher 2 kommunizieren (nicht gezeigt). In dem Hilfsspeicher 3 ist dasselbe bzw. sind einerseits dieselben Phasenwechselmaterial(ien) wie in dem Hauptspeicher 2 aufgenommen, andererseits enthält der Hilfsspeicher 3 wenigstens einen weiter unten unter Bezugnahme auf die 2 bis 6 näher erläuterten Kristallisationskeimbildner K, wobei das Phasenwechselmaterial im dem Hilfsspeicher 3 mit dem Kristallisationskeimbildner K (vgl. die 2 bis 6) in Kontakt steht. Darüber hinaus ist das mit dem Kristallisationskeimbildner K in Kontakt stehende Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher 3 mit wenigstens einem Gelbildner versetzt, wie beispielsweise mit einem solchen der weiter oben beschriebenen Art, wobei der Anteil an Gelbildner in dem Hilfsspeicher 3 derart bemessen ist, dass die Viskosität des in dem Hilfsspeicher 3 aufgenommenen Phasenwechselmaterials auch dann, wenn es auf eine Temperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur erwärmt worden ist, nicht mehr fließfähig ist und eine hinreichende Viskosität aufweist, um den Kristallisationsbildner K zu immobilisieren und vor einer Migration in den Hauptspeicher 2 zu bewahren. Darüber hinaus kann auch dasselbe Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher 2 mit einem, insbesondere mit demselben, Gelbildner versetzt sein.
  • Ferner kann zumindest dem Hauptspeicher 2 des Latentwärmespeichers 1 eine - nicht zeichnerische dargestellte - Heizeinrichtung zugeordnet sein, um zumindest das in dem Hauptspeicher 2 aufgenommene Phasenwechselmaterial zu Regenerationszwecken bedarfsweise auf eine Regenerationstemperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur zu erwärmen und dabei im Wesentlichen vollständig zu schmelzen, wobei es sich bei der Heizeinrichtung grundsätzlich um eine beliebige, aus dem Stand der Technik bekannte Heizeinrichtung handeln kann, wie z.B. eine elektrische, Hochfrequenz-Heizeinrichtung oder dergleichen.
  • Befindet sich das Ventilelement 4, bei welchem es sich im Falle der 1 bis 6 beispielsweise um ein elektrisch und/oder manuell betätigbares Ventil, z.B. in Form eines Schiebers, einer Blende, eines Kugelhahnes oder dergleichen, handeln kann, in seiner Öffnungsstellung, so steht das mit dem Kristallisationskeimbildner K in Kontakt stehende und mit dem Gelbildner versetzte Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher 3 mit dem Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher 2 in Kontakt steht, um dessen Kristallisation auszulösen. Befindet sich das Ventilelement 4 hingegen in seiner Schließstellung, so steht das mit dem Kristallisationskeimbildner K in Kontakt stehende und mit dem Gelbildner versetzte Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher 3 mit dem Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher 2 außer Kontakt, so dass dieses nicht auskristallisieren kann, so lange es in seinem metastabilen Unterkühlungsbereich befindet. Es ergibt sich somit die folgende Funktionsweise des Latentwärmespeichers 1:
  • Ist das Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher 2 regeneriert worden, indem es - sei es mittels der Heizeinrichtung oder sei es rein aufgrund der Umgebungstemperatur - zumindest auf seine Schmelztemperatur erwärmt worden ist, so befindet sich zumindest das Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher 2 und gegebenenfalls auch das vergelte Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher 3 im geschmolzenen Zustand, wobei letzteres jedoch aufgrund des Gelbildners eine hinreichende Viskosität aufweist, um den Kristallisationskeimbildner in dem Hilfsspeicher 3 zu immobilisieren.
  • Das Ventilelement 4 ist geschlossen. Sinkt die Temperatur sodann auf einen Wert unterhalb der Schmelztemperatur, aber oberhalb der Kristallisationstemperatur des Phasenwechselmaterials ab, so kristallisiert das vergelte Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher 3 infolge seines Kontaktes mit dem Kristallisationskeimbildner K aus, wohingegen sich das Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher 2 in seinem metastabilen Unterkühlungsbereich befindet. Soll nun die Kristallisationswärme des Phasenwechselmaterials in dem Hauptspeicher 2 freigesetzt werden, so kann das Ventilelement 4 bedarfsweise geöffnet werden, so dass das auskristallisierte Phasenwechselmaterial 3 in dem Hilfsspeicher 3 mit dem unterkühlten Phasenwechselmaterial 2 in dem Hauptspeicher 2 in Kontakt gelangt und als „mittelbarer“ Kristallisationskeim zu wirken vermag, um das Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher 2 exotherm in die kristalline Phase zu überführen. Sodann oder spätestens anlässlich des nächsten Regenerationsvorgangs kann das Ventilelement 4 wieder geschlossen werden, so dass ein neuer Zyklus bedingt. Aufgrund der Immobilisierung des Kristallisationskeimbildners K in dem Hilfsspeicher 3 mittels des dort vergelten Phasenwechselmaterials sowie aufgrund dessen, dass in dem Haupt- 2 und in dem Hilfsspeicher 3 dieselben Phasenwechselmaterialien eingesetzt werden, geschieht dies mit einer sehr hohen Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Zyklenstabilität.
  • Wie aus den 2 bis 6 ersichtlich, kann der Kristallisationskeimbildner K, welcher im vorliegenden Fall beispielsweise von Fremdkeimen aus wenigstens einem, vorzugsweise in dem Phasenwechselmaterial nicht oder nur gering löslichen, Feststoff mit einer Schmelztemperatur oberhalb jener des Phasenwechselmaterials gebildet ist, insbesondere im Bereich der dem Ventilelement 4 fernen Seite des Hilfsspeichers 3 des Auslösemechanismus' angeordnet sein, um eine noch höhere Sicherheit zu bieten, damit Anteile des Kristallisationskeimbildners K bei geöffnetem Ventilelement 4 nicht in den Hauptspeicher 2 gelangen können. Im Falle der in der 2 schematisch wiedergegebenen Ausführungsform des Auslösemechanismus' geschieht dies lediglich dadurch, dass der Kristallisationskeimbildner K an der dem Ventilelement 4 entgegengesetzten Seite des Hilfsspeichers 3 angereichert ist, wohingegen das Phasenwechselmaterial in dem dem Ventilelement 4 nahen Bereich des Hilfsspeichers 3 nicht oder mit einem allenfalls geringen Anteil an Kristallisationskeimbildner K versetzt ist. Dies eröffnet beispielsweise auch die Möglichkeit, dass ein Anteil des dem Ventilelement 4 nahen Phasenwechselmaterials in dem Hilfsspeicher 3 nicht oder mit einem geringeren Anteil des Gelbildners versetzt sein kann als das dem Ventilelement 4 ferne Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher 3, welches mit dem Kristallisationskeimbildner K in Kontakt steht, um für einen möglichst geringen mechanischen Widerstand gegen eine Betätigung des Ventilelementes 4 zu sorgen.
  • Bei der in der 3 gezeigten Ausführungsform des Auslösemechanismus' ist der Kristallisationskeimbildner K gleichfalls an der dem Ventilelement 4 fernen Seite des Hilfsspeichers 3 angeordnet, wobei in dem Hilfsspeicher 3 ferner ein Labyrinth 5 angeordnet ist, welches im vorliegenden Fall z.B. eine im Wesentlichen schneckenförmige Ausgestaltung besitzt und zwischen dem Ventilelement 4 und der diesem fernen Seite des Hilfsspeichers 3, in welchem der Kristallisationskeimbildner K angereichert ist, angeordnet ist. Auf diese Weise kann der räumliche Abstand zwischen dem in dem Hilfsspeicher 3 angeordneten Kristallisationskeimbildners K und dem Ventilelement 4, welches den Hilfsspeicher 3 mit dem Hauptspeicher 2 verbindet, bei gleichwohl kompaktem Aufbau des Hilfsspeichers 3 vergrößert werden, um sicherzustellen, dass bei geöffnetem Ventilelement 4 keine Anteile des Kristallisationskeimbildner K aus dem Hilfsspeicher 3 in den Hauptspeicher 2 gelangen können.
  • Wie sich aus der in der 4 schematisch dargestellten Ausführungsform des Auslösemechanismus' ergibt, kann zu den vorgenannten Zwecken beispielsweise auch ein Filterelement 6 zwischen dem Ventilelement 4 und dem diesem fernen Bereich des Hilfsspeichers 3, in welchem der feste Kristallisationskeimbildner K angeordnet ist, vorgesehen sein, welches beispielsweise von einer Fritte, einem Sintermetallelement oder dergleichen gebildet sein und vorzugsweise eine Porengröße von etwa 0,1 µm bis etwa 100 µm aufweisen kann.
  • Die in der 5 schematisch wiedergegebene Ausführungsform des Auslösemechanismus' unterscheidet sich von jener gemäß der 4 dadurch, dass anstelle des Filterelementes 6 eine Membran 7 vorgesehen ist, welche - ähnlich wie das Filterelement 6 - in dem Hilfsspeicher 3 zwischen dem Ventilelement 4 und dem diesem fernen Bereich des Hilfsspeichers 3, in welchem der Kristallisationskeimbildner K angeordnet ist, positioniert ist. Die Membran kann hierbei vorteilhafterweise eine auch als „Molecular Weight Cut Off“ (MWCO) bezeichnete Ausschlussgrenze zwischen etwa 50 g/mol und etwa 300 g/mol aufweisen.
  • Wie in der 6 erkennbar, kann die Membran 7 vorzugsweise auch zwischen zwei Filterelementen 6 der oben beschriebenen Art angeordnet sein, um eine höhere mechanische Stabilität zu gewährleisten und insbesondere zu verhindern, dass relativ große und/oder scharfkantige Kristalle durch die Membran 7 hindurchwachsen bzw. diese durchstoßen können.
  • Der Hilfsspeicher 3 des Auslösemechanismus' kann ferner vorteilhafterweise aus einem nachgiebig elastischen Material, wie z.B. aus Silikon, Gummi oder anderen bekannten Elastomeren, gefertigt sein, um etwaige Dichteunterschiede des in dem Hilfsspeicher 3 aufgenommenen Phasenwechselmaterials einerseits in dessen kristallinen Zustand, andererseits in dessen geschmolzenem Zustand in einfacher Weise ausgleichen zu können. Alternativ oder zusätzlich kann der Hilfsspeicher 3 des Auslösemechanismus' beispielsweise auch unter Freilassung eines Gasraumes mit dem mit dem Kristallisationskeimbildner K in Kontakt stehenden und mit dem Gelbildner versetzten Phasenwechselmaterial befüllt sein (nicht gezeigt), wobei die Kompressibilität eines solchen Gasraumes gleichfalls etwaige Dichteunterschiede der vorgenannten Art auszugleichen vermag.
  • In den 7 bis 9 sind perspektivische Ansichten von Ausführungsformen eines Ventilelementes 4 des Hilfsspeichers 3 des Auslösemechanismus' schematisch wiedergegeben, wobei der Hilfsspeicher selbst nicht nochmals zeichnerisch dargestellt ist. Den Ausführungsformen der 7 bis 9 ist gemein, dass das Ventilelement 4 in einem den Hilfsspeicher 3 mit dem Hauptspeicher 2 (vgl. auch die 1 bis 6) verbindenden Durchlass 8 angeordnet ist und wenigstens ein Zweiwege-Formgedächtnispolymer enthält oder gänzlich hieraus gebildet ist, welches derart programmiert ist, dass das Ventilelement 4 zwischen - einer ersten Form, in welcher das Ventilelement 4 den Hilfsspeicher 3 mit dem Hauptspeicher 2 verbindet (der Durchlass 8 ist von dem Ventilelement 4 zumindest teilweise geöffnet; vgl. die 7 unten, die 8 unten sowie die 9 rechts), und
    • - einer zweiten Form, in welcher das Ventilelement 4 den Hilfsspeicher 3 von dem Hauptspeicher 2 trennt (der Durchlass 8 ist mittels des Ventilelementes 4 verschlossen; vgl. die 7 oben, die 8 oben sowie die 9 links), reversibel hin und her schaltbar ist. Das Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Ventilelementes 4 ist zu diesem Zweck in der weiter oben beschriebenen Weise auf die beiden Formzustände programmiert worden und besitzt
    • - eine erste Schalttemperatur, in welcher es aus seiner zweiten Form (das Ventilelement 4 ist geschlossen) in seine erste Form (das Ventilelement 4 ist geöffnet) überführt wird, sowie
    • - eine gegenüber der ersten Schalttemperatur höhere zweite Schalttemperatur, in welcher es aus seiner ersten Form (das Ventilelement 4 ist geöffnet) in die zweite Form (das Ventilelement 4 ist geschlossen) überführt wird.
  • Die erste Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Ventilelementes 4 liegt dabei zweckmäßigerweise in dem metastabilen Unterkühlungsbereich des Phasenwechselmaterials zwischen dessen Kristallisationstemperatur und dessen Schmelztemperatur, so dass beim Abkühlen des Ventilelementes 4 auf die erste Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers das Ventilelement 4 öffnet, um die exotherme Kristallisation des unterkühlten Phasenwechselmaterials in dem Hauptspeicher 2 infolge Kontaktes mit dem bereits kristallisierten Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers 3, welches in vergeltem Zustand mit dem Kristallisationskeimbildner K in Kontakt steht (vgl. die 1 bis 6), auszulösen. Die zweite Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Ventilelementes 4 entspricht zweckmäßigerweise zumindest der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials oder ist demgegenüber, vorzugsweise nur geringfügig, größer, so dass beim Regenerieren des Phasenwechselmaterials zumindest des Hauptspeichers 2, um dieses aufzuschmelzen, das Ventilelement 4 wieder geschlossen wird, sobald die zweite Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers erreicht worden ist. Dieser thermoreversible Vorgang lässt sich sodann praktisch beliebig oft wiederholen. Auf diese Weise ergibt sich ein energieautarkes, reversibles und rein temperaturbedingtes Schalten des Ventilelementes 4 des Auslösemechanismus' bei einer hohen Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Zyklenstabilität.
  • In der 7 ist eine schematische perspektivische Ansicht einer Ausführungsform des in dem Durchlass 8, welcher den Hilfsspeicher 3 mit dem Hauptspeicher 2 verbindet, angeordneten Ventilelementes 4 aus einem Zweiwege-Formgedächtnispolymers schematisch gezeigt. Das Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Ventilelementes 4 ist dabei derart programmiert, dass es zwischen
    • - seiner zweiten Form (in der 7 oben; das Ventilelement 4 ist geschlossen und verschließt den Durchlass 8 nach Art eines Stopfens, um den Hauptspeicher 2 von dem Hilfsspeicher 3 zu trennen) und
    • - seiner ersten Form (in der 4 unten; das Ventilelement 4 ist geöffnet und gibt den Durchlass 8 zum Zwecke eines Kontaktes des im metastabilen Unterkühlungsbereich befindlichen Phasenwechselmaterials des Hauptspeichers 2 mit dem infolge Kontaktes mit dem Kristallisationskeimbildner K bereits kristallisierten, vergelten Phasenwechselmaterials des Hilfsspeichers 3 frei, wie es durch einen wellenförmigen Pfeil angedeutet ist),
    reversibel hin und her schaltbar ist, wenn es auf seine zweite Schalttemperatur erwärmt bzw. auf seine zweite Schalttemperatur abgekühlt wird. Im Falle des Ausführungsbeispiels der 7 weist das Ventilelement 4 in seiner ersten Form (unten) und zweiten Form (oben) verschieden große Außenabmessungen auf, welche sich vornehmlich in der Dicke des in seiner zweiten Form an den Innenquerschnitt des Durchlasses 8 angepassten Ventilelementes 4 unterscheiden. Das Schalten des Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Ventilelementes 4 kann dabei, wie bereits erwähnt, reversibel, ausschließlich temperaturbedingt und ohne Einwirkung von äußeren Kräften sowie energieautark erfolgen.
  • Die in der 8 schematisch wiedergegebene Ausführungsform des in dem Durchlass 8, welcher den Hilfsspeicher 3 mit dem Hauptspeicher 2 verbindet, angeordneten Ventilelementes 4 unterscheidet sich von jener der 7 insbesondere dadurch, dass das Ventilelement 4 aus geschäumtem Zweiwege-Formgedächtnispolymer gefertigt und derart programmiert ist, dass seine Außenabmessungen sowohl
    • - in der zweiten Form (in der 8 oben; das Ventilelement 4 ist geschlossen und verschließt den Durchlass 8 nach Art eines Stopfens, um den Hauptspeicher 2 von dem Hilfsspeicher 3 zu trennen) als auch
    • - in der zweiten Form (in der 8 unten; das Ventilelement 4 ist geöffnet und gibt den Durchlass 8 zum Zwecke eines Kontaktes des im metastabilen Unterkühlungsbereich befindlichen Phasenwechselmaterials des Hauptspeichers 2 mit dem infolge Kontaktes mit dem Kristallisationskeimbildner K bereits kristallisierten, vergelten Phasenwechselmaterials des Hilfsspeichers 3 frei, wie es durch einen wellenförmigen Pfeil angedeutet ist)
    im Wesentlichen dieselben sind, aber stattdessen die Porenform und/oder -ausrichtung des Polymerschaums des Zweiwege-Formgedächtnispolymers zwischen seiner ersten Form (8, unten) und seiner zweiten Form (8, oben) schaltbar sind, so dass in der zweiten Form (oben) beispielsweise die Poren mehr oder minder statistisch in der Polymermatrix des Zweiwege-Formgedächtnispolymers angeordnet sind, um den Durchlass 8 zu verschließen, wohingegen in der zweiten Form (oben) eine Vielzahl an durchgehenden Poren gebildet ist, durch welche ein Kontakt der Phasenwechselmaterialien des Haupt- 2 und Hilfsspeichers 3 durch den Durchlass 8 hindurch stattfinden kann, um die Kristallisation des im metastabilen Unterkühlungsbereich befindlichen Phasenwechselmaterials des Hauptspeichers 2 auslösen zu können.
  • Bei der in der 9 dargestellten Ausführungsform eines in dem Durchlass 8, welcher den Hilfsspeicher 3 mit dem Hauptspeicher 2 verbindet, angeordneten Ventilelementes 4 ist letzteres wiederum aus geschäumtem oder auch kompaktem Zweiwege-Formgedächtnispolymer derart programmiert, dass es
    • - in seiner zweiten Form (in der 9 links; das Ventilelement 4 ist geschlossen und verschließt den Durchlass 8 nach Art eines Stopfens, um den Hauptspeicher 2 von dem Hilfsspeicher 3 zu trennen) einen geschlossenen Querschnitt besitzt, wohingegen es
    • - in seiner ersten Form (in der 9 rechts; das Ventilelement 4 ist geöffnet und gibt den Durchlass 8 zum Zwecke eines Kontaktes des im metastabilen Unterkühlungsbereich befindlichen Phasenwechselmaterials des Hauptspeichers 2 mit dem infolge Kontaktes mit dem Kristallisationskeimbildner K bereits kristallisierten, vergelten Phasenwechselmaterials des Hilfsspeichers 3 frei, wie es durch einen wellenförmigen Pfeil angedeutet ist) einen (oder auch mehrere), das Ventilelement 4 durchsetzenden Durchlasskanal bzw. -kanäle 4a aufweist.
  • In den 10 bis 12 sind schließlich perspektivische Ansichten von Ausführungsformen eines Auslösemechanismus' mit einem Hilfsspeicher 3 und einem Ventilelement 4 schematisch wiedergegeben, wobei der Hilfsspeicher 3 beispielsweise im Innern des nicht nochmals zeichnerisch dargestellten Hauptspeichers 2 (vgl. die 1) angeordnet sein kann und über eine Verbindungsöffnung 3a mit dem Hauptspeicher 2 in Verbindung steht, welche mittels des Ventilelementes 4 verschlossen bzw. geöffnet werden kann. Den Ausführungsformen der 10 bis 12 ist gemein, dass das Ventilelement 4 wiederum wenigstens ein Zweiwege-Formgedächtnispolymer enthält oder gänzlich hieraus gebildet ist, welches derart programmiert ist, dass das Ventilelement 4 zwischen
    • - einer ersten Form, in welcher das Ventilelement 4 den Hilfsspeicher 3 mit dem Hauptspeicher 2 verbindet (das Ventilelement 4 gibt die Verbindungsöffnung 3a frei; vgl. die 10, 11 und 12 unten), und
    • - einer zweiten Form, in welcher das Ventilelement 4 den Hilfsspeicher 3 von dem Hauptspeicher 2 trennt (das Ventilelement 4 verschließt die Verbindungsöffnung 3a; vgl. die 10, 11 und 12 oben), reversibel hin und her schaltbar ist. Das Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Ventilelementes 4 ist zu diesem Zweck in der weiter oben beschriebenen Weise auf die beiden Formzustände programmiert worden und besitzt
    • - eine erste Schalttemperatur, in welcher es aus seiner zweiten Form (das Ventilelement 4 ist geschlossen) in seine erste Form (das Ventilelement 4 ist geöffnet) überführt wird, sowie
    • - eine gegenüber der ersten Schalttemperatur höhere zweite Schalttemperatur, in welcher es aus seiner ersten Form (das Ventilelement 4 ist geöffnet) in die zweite Form (das Ventilelement 4 ist geschlossen) überführt wird.
  • Die erste Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Ventilelementes 4 liegt dabei zweckmäßigerweise wiederum in dem metastabilen Unterkühlungsbereich des Phasenwechselmaterials zwischen dessen Kristallisationstemperatur und dessen Schmelztemperatur, so dass beim Abkühlen des Ventilelementes 4 auf die erste Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers das Ventilelement 4 öffnet, um die exotherme Kristallisation des unterkühlten Phasenwechselmaterials in dem Hauptspeicher 2 infolge Kontaktes mit dem bereits kristallisierten Phasenwechselmaterial des Hilfsspeichers 3, welches in vergeltem Zustand mit dem Kristallisationskeimbildner K in Kontakt steht (vgl. die 1 bis 6), auszulösen. Die zweite Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Ventilelementes 4 entspricht zweckmäßigerweise zumindest der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials oder ist demgegenüber, vorzugsweise nur geringfügig, größer, so dass beim Regenerieren des Phasenwechselmaterials zumindest des Hauptspeichers 2, um dieses aufzuschmelzen, das Ventilelement 4 wieder geschlossen wird, sobald die zweite Schalttemperatur des Zweiwege-Formgedächtnispolymers erreicht worden ist. Dieser thermoreversible Vorgang lässt sich sodann praktisch beliebig oft wiederholen. Auf diese Weise ergibt sich ein energieautarkes, reversibles und rein temperaturbedingtes Schalten des Ventilelementes 4 des Auslösemechanismus' bei einer hohen Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und Zyklenstabilität.
  • Das - hier im Wesentlichen platten- oder folienförmige - Ventilelement 4, welches folglich nach Art einer schaltbaren Membran ausgestaltet sein kann, befindet sich aufgrund entsprechender Programmierung seines Zweiwege-Formgedächtnispolymers bei bzw. unterhalb dessen erster Schalttemperatur in seiner ersten Form (vgl. die 10 bis 12, jeweils unten), in welcher es die den Hilfsspeicher 3 mit dem Hauptspeicher 2 (in den 10 bis 12 nicht gezeigt) verbindende Verbindungsöffnung 3a freigibt und das in dem Hilfsspeicher 2 aufgenommene, vergelte und infolge Kontaktes mit dem Kristallisationskeimbildner K (vgl. die 2 bis 6) kristalline Phasenwechselmaterial mit dem Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher 2 in Kontakt bringt, um dessen Kristallisation auszulösen, wenn es sich in seinem metastabilen Unterkühlungstemperaturbereich befindet. In den 10 bis 12 jeweils oben ist das Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Ventilelementes 4 durch Erreichen bzw. Überschreiten seiner zweiten Schalttemperatur in seine zweite Form geschaltet worden, in welcher es die Verbindungsöffnung 3a verschließt und das in dem Hilfsspeicher 3 aufgenommene, vergelte und mit dem Kristallisationskeimbildner K in Kontakt stehende Phasenwechselmaterial mit dem Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers 2 außer Kontakt bringt, so dass letzteres während eines anschließenden Abkühlens auf eine Temperatur zwischen seiner Kristallisationstemperatur und seiner Schmelztemperatur, also auf eine Temperatur innerhalb seines metastabilen Unterkühlungstemperaturbereiches, wieder in einen unterkühlten, (noch) flüssigen oder viskosen Zustand überführt werden kann.
  • Das Ventilelement 4 aus Zweiwege-Formgedächtnispolymer kann gemäß der 10 beispielsweise mit Abstand von der Verbindungsöffnung 3a einseitig an dem Hilfsspeicher 3 festgelegt und reversibel zwischen seiner ersten Form (unten), in welcher es von dem Hilfsspeicher 3 fort gebogen ist und die Verbindungsöffnung 3a freigibt, und seiner zweiten Form (oben), in welcher es sich etwa parallel zu der Wandung des Hilfsspeichers 3 erstreckt und die Verbindungsöffnung 3a verschließt, hin und her schaltbar sein. Darüber hinaus kann an das der Verbindungsöffnung 3a zugewandte Ende des Ventilelementes 4 z.B. ein zu der Verbindungsöffnung 3a etwa komplementärer Stopfen angeformt sein, um für eine verbesserte Dichtungswirkung zu sorgen, wenn sich das Ventilelement 4 in seiner Schließstellung („zweite Form“ des Zweiwege-Formgedächtnispolymers) befindet.
  • Das Ventilelement 4 aus Zweiwege-Formgedächtnispolymer kann gemäß der 11 beispielsweise auch jeweils mit Abstand beidseitig der Verbindungsöffnung 3a des Hilfsspeichers 3 festgelegt und reversibel zwischen seiner ersten Form (unten), in welcher es sich von der Verbindungsöffnung 3a des Hilfsspeichers 3 nach oben wölbt und die Verbindungsöffnung 3a freigibt, und seiner zweiten Form (oben), in welcher es sich etwa parallel zu der Wandung des Hilfsspeichers 3 erstreckt und die Verbindungsöffnung 3a verschließt, hin und her schaltbar sein.
  • Die Ausführungsform der 12 unterscheidet sich von jener der 11 insbesondere dadurch, dass - insoweit weitgehend entsprechend der 10 - an den mit der Verbindungsöffnung 3a in Kontakt tretenden, etwa zentralen Abschnitt des Ventilelementes 4 ein zu der Verbindungsöffnung 3a etwa komplementärer Stopfen angeformt ist, um für eine verbesserte Dichtungswirkung zu sorgen, wenn sich das Ventilelement 4 in seiner Schließstellung („zweite Form“ des Zweiwege-Formgedächtnispolymers) befindet.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
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    • DE 202014212404 A1 [0010]
    • DE 10313101 A1 [0023]

Claims (16)

  1. Latentwärmespeicher (1) mit wenigstens einem, in wenigstens einem Hauptspeicher (2) 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, aufweist, und mit wenigstens einem Auslösemechanismus zum Auslösen der Kristallisation des in dem Hauptspeicher (2) aufgenommenen Phasenwechselmaterials, wenn dieses in einem metastabilen Unterkühlungsbereich zwischen seiner Kristallisationstemperatur und seiner Schmelztemperatur vorliegt, wobei der Auslösemechanismus wenigstens einen Hilfsspeicher (3) aufweist, in welchem ein mit einem Kristallisationskeimbildner (K) in Kontakt stehendes Phasenwechselmaterial aufgenommen ist und welcher mit dem Hauptspeicher (2) über ein sowohl öffenbares als auch verschließbares Ventilelement (4) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hilfsspeicher (3) des Auslösemechanismus' dasselbe Phasenwechselmaterial des Hauptspeichers (2) aufgenommen ist, welches mit dem Kristallisationskeimbildner (K) in Kontakt steht und mit wenigstens einem Gelbildner versetzt ist, um den Kristallisationskeimbildner (K) in dem Hilfsspeicher (3) zu immobilisieren, wobei der Hilfsspeicher (3) über das sowohl öffenbare als auch verschließbare Ventilelement (4) derart mit dem Hauptspeicher (2) in Verbindung steht, dass - bei geöffnetem Ventilelement (4) das mit dem Kristallisationskeimbildner (K) in Kontakt stehende und mit dem Gelbildner versetzte Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher (3) mit dem Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher (2) in Kontakt steht, um dessen Kristallisation auszulösen; und - bei geschlossenem Ventilelement (4) das mit dem Kristallisationskeimbildner (K) in Kontakt stehende und mit dem Gelbildner versetzte Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher (3) mit dem Phasenwechselmaterial in dem Hauptspeicher (2) außer Kontakt steht.
  2. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ferner das in dem Hauptspeicher (2) aufgenommene Phasenwechselmaterial mit wenigstens einem Gelbildner versetzt ist, bei welchem es sich insbesondere um denselben Gelbildner wie jener des in dem Hilfsspeicher (3) aufgenommenen Phasenwechselmaterials handelt.
  3. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisationskeimbildner (K) von wenigstens einem Feststoff mit einer Schmelztemperatur oberhalb jener des Phasenwechselmaterials gebildet ist.
  4. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisationskeimbildner (K) im Bereich der dem Ventilelement (4) fernen Seite des Hilfsspeichers (3) des Auslösemechanismus' angeordnet ist.
  5. Latentwärmespeicher nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil des dem Ventilelement (4) nahen Phasenwechselmaterials in dem Hilfsspeicher (3) des Auslösemechanismus' nicht oder mit einem geringeren Anteil des Gelbildners versetzt ist als das dem Ventilelement (4) ferne Phasenwechselmaterial in dem Hilfsspeicher (3), welches mit dem Kristallisationskeimbildner (K) in Kontakt steht.
  6. Latentwärmespeicher nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hilfsspeicher (3) des Auslösemechanismus ein Labyrinth (5) angeordnet ist, welches das Ventilelement (4) mit dem diesem fernen Bereich des Hilfsspeichers (3), in welchem der Kristallisationskeimbildner (K) angeordnet ist, verbindet.
  7. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hilfsspeicher (3) des Auslösemechanismus' wenigstens ein Filterelement (6) zwischen dem Ventilelement (4) und dem diesem fernen Bereich des Hilfsspeichers (3), in welchem der Kristallisationskeimbildner (K) angeordnet ist, angeordnet ist.
  8. Latentwärmespeicher nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Filterelement (6) - von einer Fritte oder einem Sintermetallelement gebildet ist; und/oder - eine Porengröße von 0,1 µm und 100 µm aufweist.
  9. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Hilfsspeicher (3) des Auslösemechanismus' wenigstens eine Membran (7) zwischen dem Ventilelement (4) und dem diesem fernen Bereich des Hilfsspeichers (3), in welchem der Kristallisationskeimbildner (K) angeordnet ist, angeordnet ist, wobei die Membran (7) insbesondere eine Ausschlussgrenze (MWCO, Molecular Weight Cut Off) zwischen 50 g/mol und 300 g/mol aufweist.
  10. Latentwärmespeicher nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Membran (7) von dem Filterelement (6) abgestützt oder zwischen zwei Filterelementen (6) angeordnet ist.
  11. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kristallisationskeimbildner (K) in dem Phasenwechselmaterial gelöst ist, wobei der Kristallisationskeimbildner (K) insbesondere zugleich als Gelbildner dient.
  12. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsspeicher (3) des Auslösemechanismus' - aus einem nachgiebig elastischen Material gefertigt ist; und/oder - unter Freilassung eines Gasraumes mit dem mit dem Kristallisationskeimbildner (K) in Kontakt stehenden und mit dem Gelbildner versetzten Phasenwechselmaterial befüllt ist.
  13. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Ventilelement (4) des Hilfsspeichers (3) des Auslösemechanismus' und ein elektrisch und/oder manuell betätigbares Ventil, insbesondere im Wesentlichen in Form eines Schiebers, einer Blende oder eines Kugelhahnes, handelt.
  14. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilelement (4) des Hilfsspeichers (3) des Auslösemechanismus' wenigstens ein Zweiwege-Formgedächtnispolymer enthält oder gänzlich hieraus gebildet ist, welches derart programmiert ist, dass das Ventilelement (4) zwischen - einer ersten Form, in welcher das Ventilelement (4) den Hilfsspeicher (3) des Auslösemechanismus' mit dem Hauptspeicher (2) verbindet, und - einer zweiten Form, in welcher das Ventilelement (4) den Hilfsspeicher (3) des Auslösemechanismus' von dem Hauptspeicher (2) trennt, reversibel hin und her schaltbar ist, wobei das wenigstens eine Zweiwege-Formgedächtnispolymer des Ventilelementes (4) zumindest - eine erste Schalttemperatur, in welcher es aus seiner zweiten Form in seine 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, aufweist.
  15. Latentwärmespeicher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass - die erste Schalttemperatur des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Ventilelementes (4) in dem metastabilen Unterkühlungsbereich des Phasenwechselmaterials zwischen dessen Kristallisationstemperatur und dessen Schmelztemperatur liegt; und/oder - die zweite Schalttemperatur des wenigstens einen Zweiwege-Formgedächtnispolymers des Ventilelementes (4) der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials entspricht oder demgegenüber größer ist.
  16. Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest dem das Phasenwechselmaterial aufnehmenden Hauptspeicher (2) eine Heizeinrichtung zugeordnet ist, um das Phasenwechselmaterial zu Regenerationszwecken auf eine Regenerationstemperatur oberhalb seiner Schmelztemperatur zu erwärmen.
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DE102021125145A1 (de) 2021-09-28 2023-03-30 Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung eingetragener Verein Haushaltsgerät mit einem einen Latentwärmespeicher umfassenden Wärmetauscher

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