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In thermischen Anwendungen werden zunehmend Speicher mit Phasenwechselmaterialien als Speichermedium eingesetzt. Im Vergleich zu herkömmlichen Wärme- oder Kältespeichern mit Wasser als Speichermedium zeichnen sich diese Speicher durch eine sehr hohe Energiedichte aus. Bei diesen sogenannten PCM-Speichern (PCM = Phase-Change-Material) oder auch Phasenwechselspeichern (Latentspeicher) erfolgt der Energieeintrag oder Energieaustrag in der Regel über Wärmetauscher, die vom Phasenwechselmaterial (PCM) umschlossen werden. Weitere Varianten sind Speicher mit Wärmetauschern und makroverkapselten PCM-Elementen, die aneinander anliegen, sowie sogenannte Hybridspeicher, in denen das PCM luftdicht in sogenannten Makroverkapselungen befüllt und verschlossen ist und diese Elemente in entsprechenden Speichern mit Wasser oder anderen flüssigen Wärmeträgermedien eingebracht werden und somit die Speicherkapazität deutlich erhöhen. Diese Verkapselungen können aus verschiedensten Kunststoffen wie beispielhaft aus PE (Polyurethan), PP (Polypropylen), aber auch keramischen oder metallischen Materialien wie Aluminium, Kupfer, Stahl, Edelstahl oder anderen metallischen Werkstoffen bestehen. Die Verkapselungen können Kugelformen, Scheibenformen, Zapfenformen, Diskusformen, Zylinderformen, Rechteckformen- und andere Profilformen jeder Art annehmen.
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Dabei zeigt sich, dass das Aufschmelzen und Erstarren der PCM's mit zunehmender Profildicke oder mit zunehmendem Durchmesser der Verkapselung mehr und mehr Zeit in Anspruch nimmt. Das hat negative Auswirkungen auf die Be- und Entladegeschwindigkeit bzw. auf den Energieeintrag oder -austrag. Der Energieaustrag aus einer flüssigen Schmelze im Inneren einer Verkapselung wird mit zunehmender Profildicke bzw. mit zunehmendem Durchmesser deutlich erschwert und verlangsamt. Im ungünstigsten Fall benötigt es einen sehr langen Zeitraum, bis das Phasenwechselmaterial im Inneren der Verkapselung vollständig erstarrt ist und die Energie zur Nutzung zur Verfügung steht. Es besteht die Gefahr der Bildung einer unterkühlten Schmelze. Oftmals kann nicht die gesamte gespeicherte Energie in der gewünschten Zeit genutzt werden.
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, eine technische Lösung zum verbesserten Wärmeaustausch für PCM-Wärmespeicher anzugeben.
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Mit dem Gegenstand dieser Erfindung kann die in der Verkapselung gespeicherte Energie zuverlässig und vollständig in kurzer Zeit entladen werden. Dabei wird die Kristallisation im Inneren der Verkapselung vollständig und in kürzerer Zeit realisiert. Auch die Wärmeaufnahme wird verbessert.
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Gegenstand dieser Erfindung ist, durch Einbringen von festen Strukturen ins Innere der Verkapselung die Wärmeaustragung und die Kristallisation im Inneren der Verkapselung zu verbessern und damit die nutzbare Speicherkapazität und Entladegeschwindigkeit des Speichers wesentlich zu erhöhen.
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Die eingebrachten festen Strukturen bewirken:
- - erstens eine Verbesserung der Kristallisation im Inneren der Verkapselung, indem die festen Strukturen als Kristallisationskerne wirksam werden, und
- - zweitens eine Verbesserung der Wärmeübertragung zwischen dem Außen- und dem Innenbereich innerhalb der Verkapselung, wenn die festen Strukturen aus einem wärmeleitfähigen Material bestehen.
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Beide Wirkungen unterstützen sich gegenseitig. Eine gute Wärmeableitung aus dem Inneren unterstützt die Kristallisation an den festen Strukturen. Andererseits bewirkt eine verbesserte Kristallisation an den festen Strukturen die Bereitstellung von Wärmeenergie zur Ableitung über die festen Strukturen.
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Die festen Strukturen können aus jedem festen Material beschaffen sein, das weder mit dem Material der Verkapselung noch dem der Füllung (PCM) unerwünscht reagiert. Unerwünschte Reaktionen sind beispielsweise Korrosion oder Reaktionen unter Gasbildung. Vorteilhaft sind feste Materialien mit guter beziehungsweise hoher Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise Metalle oder bestimmte Keramiken. Als Metall können beispielsweise Aluminium oder Kupfer eingesetzt werden. Die festen Strukturen können oberflächenversiegelt werden, um Reaktionen mit dem Material der Verkapselung oder dem der Füllung (PCM) zu vermeiden.
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Die festen Strukturen können eine beliebige Form haben, beispielsweise:
- - Gitterartige Strukturen,
- - Wabenförmige Strukturen,
- - Spiralförmige Strukturen,
- - Gewindeartige Strukturen,
- - Zylinderförmige Strukturen,
- - Rechteck- oder Prismatische Strukturen,
- - Federartige Strukturen,
- - bürstenartige Strukturen,
- - nagelartige Strukturen,
- - schraubenartige Strukturen.
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Die festen Strukturen können während der Herstellung der Verkapselung in die Verkapselung eingebracht werden oder während der Befüllung der Verkapselung mit dem PCM. Möglich ist auch ein nachträgliches Einbringen der festen Strukturen durch die Verkapselung hindurch.
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Eine homogen geschlossene Verkapselung ist vorteilhaft, weil sie eine hohe Sicherheit für die Dichtheit und Auslaufsicherheit der Verkapselung bewirkt. Unter der Voraussetzung des Erhalts einer hohen Sicherheit für die Dichtheit und Auslaufsicherheit der Verkapselung können die festen Strukturen aber in die Verkapselung eindringen oder diese durchdringen. Dadurch ist ein verbesserter Wärmeaustausch mit der Umgebung möglich. Weiterhin kann so die Form der Verkapselung gefestigt und stabilisiert werden.
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Ein Formschluss der festen Struktur mit der inneren Oberfläche verbessert den Wärmeaustausch. Vorteilhaft ist die Vergrößerung der formschlüssigen Flächen der festen Struktur zur weiteren Verbesserung des Wärmeaustauschs.
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Formschluss im Sinne dieser Erfindung muss nicht geometrisch exakt erfolgen. Es reicht ein annähernder Formschluss, beispielsweise reicht ein Nagelkopf an der Innenseite der Verkapslung für einen Formschluss aus.
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Die Erfindung offenbart eine Verkapselung für das Umschließen von PCM, wobei in die Verkapselung eine feste Struktur zur Unterstützung der Kristallbildung eingebracht ist.
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Die feste Struktur kann aus wärmeleitendem Material bestehen.
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Die feste Struktur kann die Verkapselung an mindestens einer Stelle formschlüssig berühren, wobei die formschlüssige Berührungsfläche durch Flächen an der festen Struktur vergrößert sein können.
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Die feste Struktur kann die Verkapselung an mindestens einer Stelle durchdringen.
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Die feste Struktur kann mit der Verkapselung an mindestens einer Stelle fest verbunden ein.
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Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung einer Verkapselung offenbart, wobei in einem ersten Schritt die feste Struktur durch eine Öffnung in die Verkapselung eingeführt wird, ohne dass die feste Struktur vollständig durch die Öffnung geführt wird, so dass ein Teil der festen Struktur in der Öffnung verbleibt, und in einem zweiten Schritt die Öffnung verschlossen wird, wobei die feste Struktur in der verschlossenen Öffnung befestigt wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend an Hand einer bevorzugten Ausführungsform, weiteren Ausführungsformen und den Figuren näher erläutert. Dabei zeigt:
- 1: eine Verkapselung mit einer festen Struktur in Form eines dreidimensionalen Kreuzes,
- 2: eine Verkapselung mit einer festen Struktur in Form einer Schraube,
- 3: eine Verkapselung mit einer festen Struktur in Form eines dreidimensionalen Kreuzes mit Formschluss an der Innenseite der Verkapselung und
- 4: eine Verkapselung mit einer festen Struktur in Form eines dreidimensionalen Kreuzes, die die Verkapselung durchdringt.
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Eine Ausführungsform zeigt 1. Sie ist eine Verkapselung (1) mit einer festen Struktur (2) in Form eines dreidimensionalen Kreuzes. Form eines dreidimensionalen Kreuzes hat den Vorteil, dass sie im Inneren der Verkapselung (3) immer in etwa der gleichen Position verbleibt. Die feste Struktur wurde vor dem Verbinden der beiden Teile, hier Halbkugeln, in die Verkapselung eingebracht. Die Verbindung der Teile der Verkapselung (5) erfolgt durch Verschweißen.
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Eine weitere Ausführungsform zeigt 2. Sie ist eine Verkapselung (1) mit einer festen Struktur (2) in Form einer Schraube. Eine Schraube ist leicht und preiswert zu beschaffen und bildet durch die scharfkantigen Schraubengänge gute Kristallisationskerne aus. Sie wird nach dem Befüllen der Verkapselung (1) durch die Öffnung (4) in diese Öffnung (4) gesteckt, die danach beispielsweise mittels Spinwelting verschlossen wird, wodurch auch die feste Struktur ficiert wird.
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Eine weitere Ausführungsform zeigt 3. Sie ist eine Verkapselung (1) mit einer festen Struktur (2) in Form eines dreidimensionalen Kreuzes mit Formschluss an der Innenseite der Verkapselung. Die Ausdehnung des Formschlusses wird durch Flächen (6) an den Enden der Kreuzbalken vergrößert, wodurch der Wärmeaustausch mit der Verkapselungsoberfläche vergrößert und damit verbessert wird. Ebenso wird die Formstabilität der Verkapselung (1) verbessert.
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Eine weitere Ausführungsform zeigt 4. Sie ist eine Verkapselung (1) mit einer festen Struktur (2) in Form eines dreidimensionalen Kreuzes, die die Verkapselung (1) mit den Teilen (7) durchdringt. Runde Flächen an den Enden der Kreuzbalken vergrößern die Fläche für den direkten Wärmeaustausch der festen Struktur (2) mit der Umgebung der Verkapselung(1). Ebenso wird die Formstabilität der Verkapselung (1) verbessert.
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Alle in der Beschreibung, den Ausführungsbeispielen und den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verkapselung
- 2
- feste Struktur
- 3
- Innenraum der Verkapselung, befüllt mit PCM
- 4
- Öffnung
- 5
- Verbindung der Teile der Verkapselung
- 6
- Flächen der festen Struktur mit Formschluss an der Innenseite der Verkapselung
- 7
- Teil der festen Struktur, die die Verkapselung durchdringen
