DE102022101949A1

DE102022101949A1 - Phasenwechselmaterialdispersion (PCD) und Anwendungen der PCD

Info

Publication number: DE102022101949A1
Application number: DE102022101949.7A
Authority: DE
Inventors: Markus Hoffmann; Matthias Rädle; Frederik Wunder; Danny Westphal; Thi Ngoc Anh Nguyen
Original assignee: Schaumaplast & Co Kg GmbH; HOCHSCHULE MANNHEIM
Current assignee: Schaumaplast & Co Kg GmbH; HOCHSCHULE MANNHEIM
Priority date: 2022-01-27
Filing date: 2022-01-27
Publication date: 2023-07-27

Abstract

Die Erfindung betrifft eine PCD zum Speichern von Schmelz- oder Erstarrungsenthalpie,wobei die PCD von einem Dispersionsmedium und einem in dem Dispersionsmedium dispergierten PCM als disperse Phase gebildet wird,wobei das PCM eine Phasenübergangstemperatur zwischen dem festen und flüssigen Aggregatzustand aufweist und beim Schmelzen Schmelzenthalpie aufnimmt, um latente Kälte freizusetzen und beim Erstarren Erstarrungsenthalpie abgibt, um latente Wärme freizusetzen,wobei das Dispersionsmedium oberhalb und unterhalb der Phasenübergangstemperatur im flüssigen Zustand vorliegt undwobei die PCD folgende drei Zustände aufweist:einen Emulsionszustand oberhalb der Phasenübergangstemperatur, in welchem die PCD eine Emulsion aus dem flüssigen Dispersionsmedium und dem dispergierten geschmolzenen PCM als disperse Phase bildet,einen Suspo-Emulsionszustand im Bereich der Phasenübergangstemperatur, in welchem die PCD eine Suspo-Emulsion aus dem flüssigen Dispersionsmedium und dem teilweise geschmolzenen und teilweise erstarrten PCM als gemischte disperse Phase bildet, undeinen Suspensionszustand unterhalb der Phasenübergangstemperatur, in welchem die PCD eine Suspension aus dem flüssigen Dispersionsmedium und dem erstarrten PCM als disperse Phase bildet,wobei die PCD zum zyklischen Aufnehmen der Schmelzenthalpie und Abgeben der Erstarrungsenthalpie des PCMs eine Vielzahl von zyklisch reversiblen Phasenübergängen von dem Emulsionszustand über den Suspo-Emulsionszustand in den Suspensionszustand und umgekehrt ausführen kann und die PCD dabei eine stabile Dispersion bleibt, sowie verschiedene Anwendungen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein eine Phasenwechselmaterialdispersion (PCD) zur Speicherung von Schmelz- oder Erstarrungsenthalpie, also ein heterogenes Materialgemisch in Form einer Dispersion, insbesondere mit einer unpolaren äußeren Phase und einem polaren Phasenwechselmaterial (PCM) als innere Phase sowie Anwendungen bzw. Produkte, die eine solche PCD als autarkes Kühl- oder Heizmaterial enthalten können.
Hintergrund und allgemeine Beschreibung der Erfindung
Zur Temperaturregelung stehen dem menschlichen Körper prinzipiell vier Mechanismen zur Verfügung:

1. Konduktion,
2. Konvektion,
3. Strahlung und
4. Evaporation.

Alle dienen der Konstanthaltung der Körperkerntemperatur von 37°C. Droht eine Verschiebung dieser Temperatur durch äußere Einflüsse (krankhafte Veränderungen, Verletzungen, extreme Temperaturen) werden entsprechenden Regelstrecken zur kurzfristigen Thermoregulation aktiviert. Thermorezeptoren der Haut überwachen hierfür neben der absoluten Temperatur auch die Geschwindigkeit der Temperaturänderung und die Größe des von der Reiztemperatur betroffenen Areals.
Droht eine kritische Kerntemperaturerhöhung wird durch Vasodilatation die Durchblutung oberflächennaher Blutgefäße erhöht, um den konvektiven Wärmetransport zu steigern. Zusätzlich findet durch die Sekretion von Schweiß und dessen anschließende Verdunstung die evaporative Wärmeabfuhr statt. Für beide Mechanismen sind jedoch letztendlich die Umgebungsbedingungen hinsichtlich der endgültigen Abfuhr der Wärme und damit der Temperatursenkung entscheidend. Nur durch ein bestehendes Temperaturgefälle bzw. niedrige Luftfeuchtigkeit kann eine endgültige Abgabe der Wärme an die Umgebung stattfinden.
Droht hingegen ein Abfallen der Kerntemperatur reagiert der Körper mit einer Vasokonstriktion oberflächennaher Gefäße um durch die verminderte Durchblutung den konvektiven Wärmetransport zu drosseln. Zusätzlich wird bei ausreichender Temperaturabsenkung rasch und effektiv der Muskeltonus erhöht, um durch das Zittern der Muskulatur Wärme zu produzieren. Des Weiteren findet ein Verschluss der Hautporen (Gänsehaut) statt um einen sekretorischen Wärmeverlust zu vermeiden.
Beide Regelstrecken können sehr gut durch im direkten Hautkontakt stehende Wärmequellen oder Wärmesenken unterstützt werden. Um die physiologische Reizantwort auf Temperaturen zu ergänzen, gilt es auch die Arbeitsbedingungen der Thermorezeptoren zu berücksichtigen. Kaltrezeptoren zeigen für langfristige Temperaturänderungen ein Aktivitätsmaximum bei Hauttemperaturen von ca. 27°C. Um eine möglichst starke Reizantwort des Körpers zu verursachen ist es wünschenswert, diese Temperatur möglichst konstant zur Verfügung zu stellen. Andererseits kann je nach Therapieplan die Temperatur des Aktivitätsmaximums für eine schonende Kühlung gezielt vermieden werden. Warmrezeptoren zeigen bereits ab 30 °C eine zunächst geringe Reizantwort und erreichen ihr Aktivitätsmaximum erst mit 46°C sehr nahe der mit 48°C beginnenden Schmerzwahrnehmung. Hier empfiehlt sich Temperaturen unterhalb des Aktivitätsmaximums anzustreben.
Auch die Lokalisation von Wärmequellen bzw. -senken kann hinsichtlich eines effektiven systemischen Wärmeübergangs betrachtet werden. Hierbei kann grundsätzlich die wärmeübertragende Fläche, soweit möglich maximiert werden. Betrachtet man das Oberflächenzu-Volumen-Verhältnis bieten sich insbesondere die Extremitäten an. Hier kann durch ein großes Verhältnis am schnellsten ein Wärmeübergang stattfinden, welcher sich durch die Zirkulation des Blutes im gesamten Körper wirksam wird. Je weiter man sich vom Körperkern wegbewegt desto günstiger wird das Verhältnis. Dies ist insbesondere bei der Behandlung von Neugeborenen zu beachten. Hier ist die relativ große Körperoberfläche zu einem im Vergleich noch geringen Körpervolumen besonders kritisch, insbesondere bei einer drohenden Unterkühlung.
Als physikalische Maßnahme zur Fiebersenkung ist der Einsatz von Wadenwickeln ein bewährtes Hausmittel. Hierbei kann das Fieber schnell um 0,5 bis 1°C gesenkt werden. In den meisten Fällen reicht dies aus, um das Wohlbefinden des Patienten zu verbessern und kann den Einsatz von Medikamenten unnötig machen, vgl. RENZ-POLSTER, H., N. MENCHE und A. SCHAEFFLER: „Gesundheit für Kinder“. Kösel- Verlag, 2012. Weitere Vorteile sind:

• Schnelle Wirksamkeit, Medikamente wirken i.d.R. erst nach 30 Min, vgl. KINMOTH, A.-L., Y. FULTON und M. CAMPBELL: „Management of feverish children at home“, British Medical Journal, Seiten 1134-1136, 1992.
• Die Anwendung ist frei von Nebenwirkungen.
• Die Wirksamkeit kann nicht durch Erbrechen oder Durchfälle minimiert werden. Dies ist besonders dann von Bedeutung, wenn bei der Medikamentengabe einen Einnahmeabstand oder eine Maximaldosis beachtet werden muss.

Wadenwickel werden aber aufgrund der beschränkten Wärmekapazität zu Behandlungsbeginn manchmal auf zu tiefe Temperaturen eingestellt oder man nimmt lauwarmes Wasser. Zu kaltes Wasser führt zur Kreislaufzentralisation des Körpers, welche wiederum eine Erhöhung des Temperatursollwerts des Körperkerns bewirkt. Zu kaltes Wasser führt im Übrigen zu einer Verengung der peripheren Gefäße und damit zunächst zu einer Durchblutungsminderung, was kontraproduktiv ist. Wenn man lauwarmes Wasser verwendet, wird nur ein kurzfristiger Effekt erzielt, da Wasser bei geringem Temperaturhub nur eine geringe Wärmekapazität aufweist.
Teilweise werden auch konfektionierte Kühlkissen, Eisbeutel oder ähnliches verwendet. Alle diese Elemente sind jedoch nicht optimal für den Einsatz geeignet.
Unter der Bezeichnung MiraCradle® ist ein Kühler bekannt, der formstabiles PCM verwendet (www.miracradle.com/product.html). Der Nachteil dieser Materialien ist, unter anderem ein hoher Preis. Ferner ist das Material im kristallinen Zustand hart und unflexibel und kann sich nicht an die jeweiligen Körperformen anpassen. Dies ist unter anderem für medizinische Anwendungen, insbesondere bei Kindern nachteilig.
Im klinischen Bereich, insbesondere auf der Babystation, werden Kinder teilweise auf temperierte Kühlmatten gelegt. Diese Kühlmatten werden typischerweise an einen Wasserkreislauf angeschlossen. Der Wasserkreislauf ist über einen Thermostat auf eine bestimmte Temperatur eingestellt. Dies erfordert jedoch einen logistischen Aufwand, da Thermostat und Pumpe in Bettnähe aufgestellt werden müssen. Besonders im intensivmedizinischen Bereich ist der vorhandene Platz beschränkt, sodass diese zusätzlichen Geräte das Handling rund um den Patienten weiter erschweren. Außerdem kann diese komplexe Einrichtung beim Transportieren des Bettes nicht mitgefahren werden. Sie wird also typischerweise abgekoppelt und das System ist dann untemperiert. Das Wasser ist auch nur schwierig keimfrei zu halten und muss häufig gewechselt werden. Das System ist relativ aufwändig und teuer, so dass es typischerweise nur in speziellen Kinderkliniken angewandt wird und auch dort nur in begrenzter Anzahl vorrätig ist.
Bereitstellung oder Transport von Kälte oder Wärme kann jedoch auch in anderen Bereichen von Bedeutung sein.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine innovative Temperierung, z.B. zur Fiebersenkung, aber auch für andere Anwendungen, bereit zu stellen, welche während der Anwendung ohne externe Anschlüsse, wie z.B. für Strom oder Wasser, auskommt und trotzdem über einen gewissen Zeitraum eine konstante Temperatur gewährleistet.
Eine weitere Aufgabe der Erfindung ist es, ein Material zur Bereitstellung oder zum Transport von Kälte oder Wärme sowie Produkte in denen solche Materialien verwendet werden können, bereit zu stellen.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch den Gegenstand der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen definiert.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde eine Phasenwechselmaterialdispersion (PCD) entwickelt, die in geeigneter Produktform unter anderem zur Temperierung oder Thermostabilisierung erkrankter Menschen, z.B. Kindern, eingesetzt werden und z.B. Wadenwickel und Temperiermatten ersetzen kann. Damit kann z.B. ein verbesserter medizinischer Erfolg bei der Fieberbekämpfung bei gleichzeitiger Kosteneinsparung und verbessertem Handling erreicht werden.
Weitere Einsatzmöglichkeiten für das PCD sind z.B. Behandlungen von Verbrennungen, Temperierung bei Unterkühlung (Lawinenopfer), Einsatz in der Tiermedizin (Kühlung der Extremitäten, Wärmebehandlung), Transplantat-Transport, Einsatz als Heizkissen, in Kleidung, in Pferdedecken, aber z.B. auch als Wärmetransportmedium in Heizungs- oder Kältetransportmedium in Klimaanlagen (Airconditioning).
Im Gegensatz zu herkömmlichen Wadenwickeln, bei denen, aufgrund der geringen Wärmekapazität, bereits nach 5 bis 10 Min ein Wechsel erforderlich ist, kann einem PCD-Wickel eine über Stunden konstante Kühlwirkung erreicht werden. Vorteile sind:

• Geringerer Versorgungsaufwand
• Keine Unterkühlungsgefahr
• Keine Gefahr von Wärmestau, bei zu langen Wechselzyklen
• Kein Durchnässen von Kleidung/Bett
• Keine Störung des Patienten notwendig

Im klinischen Umfeld kann ferner ein erhöhter hygienischer Anspruch erfüllt werden, z.B. indem eine PCD-Auflage als Disposable (Wegwerfartikel) ausgeführt ist, diese also bei Patientenwechsel entsorgt wird.
Es wurde unter anderem ein neuartiges, insbesondere plastisches, knetbares PCD-Basismaterial aus anorganischen Phasenwechselmaterialien in Kombination mit einer nicht-mischbaren Ölphase als 3-Phasen-System entwickelt, welches sowohl im flüssigen als auch im erstarrten Zustand knetbar sein kann und dadurch hohen Liegekomfort und Anpassungsfähigkeit an den menschlichen Körper aufweist. Aus diesem Material können z.B. Kissen hergestellt, die im klinischen als auch im häuslichen Umfeld zur Anwendung kommen und wegen der geringen Kosten und erheblich verbesserten medizinischen Wirkung eine erhebliche Marktverbreitung erreichen können.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine solche Phasenwechselmaterialdispersion (PCD) zum Speichern von Schmelz- oder Erstarrungsenthalpie, manchmal auch als Latentwärme oder Latentkälte bezeichnet, bereit gestellt. Dabei wird die Phasenwechselmaterialdispersion von einem Dispersionsmedium (Dispersionsmittel, Dispergens, kontinuierliche Phase, Hauptphase, äußere Phase) und einem in dem Dispersionsmedium dispergierten Phasenwechselmaterial (PCM) als disperse Phase (dispergierte Phase, Dispersphase, Nebenphase, innere Phase) gebildet. Das PCM weist darin eine Phasenübergangstemperatur zwischen seinem festen und flüssigen Aggregatzustand auf und nimmt beim Schmelzen Schmelzenthalpie auf, um latente Kälte freizusetzen und gibt beim Erstarren Erstarrungsenthalpie ab, um latente Wärme freizusetzen. Das Dispersionsmedium liegt sowohl oberhalb als auch unterhalb der Phasenübergangstemperatur des PCM im flüssigen Zustand vor.
Die Phasenwechselmaterialdispersion weist folgende drei Zustände auf:

einen Emulsionszustand oberhalb der Phasenübergangstemperatur des PCM, in welchem die Phasenwechselmaterialdispersion eine Emulsion aus dem flüssigen Dispersionsmedium und dem dispergierten geschmolzenen, insbesondere tröpfchenförmigen Phasenwechselmaterial als disperse Phase bildet,
einen Suspo-Emulsionszustand (Übergangszustand) im Bereich der Phasenübergangstemperatur des PCM, in welchem die Phasenwechselmaterialdispersion eine Suspo-Emulsion aus dem flüssigen Dispersionsmedium und dem teilweise geschmolzenen und teilweise erstarrten, insbesondere festen, partikulären bzw. kristallinen Phasenwechselmaterial als gemischte disperse Phase bildet, und
einen Suspensionszustand unterhalb der Phasenübergangstemperatur des PCM, in welchem die Phasenwechselmaterialdispersion eine Suspension aus dem flüssigen Dispersionsmedium und dem erstarrten insbesondere festen, partikulären bzw. kristallinen Phasenwechselmaterial als disperse Phase bildet.

Die Phasenwechselmaterialdispersion ist dabei dazu ausgebildet, eine Vielzahl von zyklisch reversiblen Phasenübergängen von dem Emulsionszustand über den Suspo-Emulsionszustand in den Suspensionszustand und umgekehrt auszuführen, um zyklisch die Schmelzenthalpie bzw. Erstarrungsenthalpie des Phasenwechselmaterials als disperse Phase in der Phasenwechselmaterialdispersion aufzunehmen und wieder abzugeben und dabei eine stabile Dispersion zu bleiben, also insbesondere nicht zu entmischen.
Mit dieser PCD ist in vorteilhafter Weise eine autarke, kontrollierte Temperierung möglich, wobei die Konsistenz bzw. Viskosität der PCD einstellbar ist. Eine solche PCD kann nicht nur bei fiebrigen Kindern, sondern in vielfältiger Weise angewendet werden.
Vorzugsweise ist das Dispersionsmedium eine unpolare Flüssigkeit. In vorteilhafter Weise kann eine hohe Wärmespeicherfähigkeit pro Volumen erzielt werden.
Die unpolare Flüssigkeit kann insbesondere eine organische Flüssigkeit oder ein Öl sein.
Das Dispersionsmedium enthält oder ist z.B. eines oder mehrere der folgenden Öle bzw. eine Mischung daraus:

Pflanzliches Öl, wie z.B. Sojaöl, Kokosöl, Olivenöl, Sonnenblumenöl, Rapsöl und/oder Thermoöl/Heizöl (Mineralöl).

Das Phasenwechselmaterial (PCM) ist vorzugsweise ein polarer Stoff, der beim Erstarren als disperse Phase in der Dispersion insbesondere kristallisiert.
Das Phasenwechselmaterial (PCM) enthält bzw. ist vorzugsweise ein Salzhydrat. Salzhydrate haben unter anderem den Vorteil dass sie kostengünstig sind und für die vorliegende PCD geeignete Eigenschaften, z.B. eine geeignete Phasenübergangstemperatur zwischen dem festen und flüssigen Zustand, aufweisen.
Das Phasenwechselmaterial (PCM) enthält oder ist z.B. einer oder mehrere der folgenden Stoffe oder eine Verbindung oder Mischung daraus:

-21 ° +/- 2° Celsius: Natriumchlorid NaCl + Wasser H2O,
0° +/-2° Celsius: Natriumhydroxid NaOH + Wasser H2O,
+15° +/- 2° Celsius: Natriumsulfat Na2SO4 + Natriumchlorid NaCl + Wasser H2O,
+18° +/- 2° Celsius: Natriumsulfat Na2SO4 + Natriumchlorid NaCl + Wasser H2O,
+21 ° +/- 2° Celsius: Calciumchlorid CaCl2 + Magnesiumchlorid MgCl2 + Wasser H2O,
+25° +/- 2° Celsius: Calciumchlorid CaCl2 + Natriumchlorid NaCl + Kaliumchlorid KCl + Wasser H2O,
+27° +/- 2° Celsius: Calciumchlorid CaCl2 + Natriumchlorid NaCl + Kaliumchlorid KCl + Wasser H2O,
+29° +/- 2° Celsius: Calciumchlorid CaCl2 + Wasser H2O,
+33° +/- 2° Celsius: Natriumacetat CH3COONa +Urea NH2CONH2 + Wasser H2O
+43° +/- 2° Celsius: Calciumchlorid CaCl2 + Wasser H2O,
+56° +/- 2° Celsius: Magnesiumchlorid MgCl2 + Magnesiumnitrat Mg(NO3)2 + Wasser H2O, +89° +/- 2° Celsius: Magnesiumnitrat Mg(NO3)2 + Wasser H2O.

Calziumclorid CaCl2 und Wasser H20 kann z.B. in Form von Calziumclorid-Hexahydrat vorliegen. Vorzugsweise enthält die Phasenwechselmaterialdispersion einen Emulgator (Tensid), z.B. ein nicht-ionisches Tensid, der (das) die PCD langfristig stabil hält.
Es können z.B. folgende Emulgatoren/Tenside eingesetzt werden:

- Cocamidopropyl Betaine
- Isotridecanol
- Polysorbate
- Polysaccharide
- Acrylic polymer
- Natriumdodecylsulfat SDS
- Kieselsäure SiO2
- Carboxymethylcellulosen CMC
- Leranon
- Palmöl
- Lecithin

Weiter vorzugsweise enthält das PCM in der PCD ein Kristallisationsadditiv, welches den Kristallisationsvorgang beim Erstarren des PCM bei Unterschreiten der Phasenübergangstemperatur unterstützt.
Das Kristallisationsadditiv enthält oder ist z.B. einer oder mehrere der folgenden Stoffe oder eine Verbindung oder Mischung daraus::

- Natriumchlorid,
- Kaliumchlorid,
- Bor,
- Calciumcarbonat CaCO3,
- Bariumhydroxid Ba(OH)2,
- Borax Na2B4O7·10H2O.

Das Gewichtsverhältnis aus dem Dispersionsmedium als kontinuierliche Phase zu dem Phasenwechselmaterial als disperse Phase beträgt vorzugsweise im Bereich von 30 Gew. %bis 70 Gew. %.
Das Phasenwechselmaterial kann eine spezifische Schmelzenthalpie im Bereich von 60 kJ/kg bis 200 kJ/kg aufweisen.
Vorzugsweise weist das Phasenwechselmaterial als disperse Phase der Phasenwechselmaterialdispersion eine Phasenübergangstemperatur im Bereich von -40° Celsius bis +95° Celsius, vorzugsweise im Bereich von -21° Celsius bis +56° Celsius auf.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen weist das Phasenwechselmaterial eine Phasenübergangstemperatur von -21° +/- 2° Celsius, 0° +/-2° Celsius, +15° +/- 2° Celsius, +18° +/- 2° Celsius, +19° +/- 2° Celsius, +21° +/- 2° Celsius, +25° +/- 2° Celsius, +27° +/- 2° Celsius, +29° +/- 2° Celsius, +33° +/- 2° Celsius, +43° +/- 2° Celsius, +56° +/- 2° Celsius oder +89° +/- 2° Celsius auf.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Phasenwechselmaterialdispersion aus folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent (Gew.-%) bestehen:

a) flüssiges Dispersionsmedium von 20 Gew.-%, vorzugsweise 30 Gew.-% bis 70 Gew.-%,
b) in dem Dispersionsmedium dispergiertes Phasenwechselmaterial von 30 Gew.-% bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 70 Gew.-%, vorzugsweise von 40 Gew.-% bis 60 Gew.-%,
c) einem Emulgator von 0 Gew.-% bis 10 Gew.-%, vorzugsweise von 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-%
d) ggf. weitere Bestandteile, z.B. zur Phasen- und/oder Zyklenstabilisierung, von 0 Gew.-% bis 10 Gew.-%,

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann die Phasenwechselmaterialdispersion aus folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent (Gew.-%) bestehen:

a) flüssiges Dispersionsmedium von 20 Gew.-%, vorzugsweise 30 Gew.-% bis 70 Gew.-%,
b) in dem Dispersionsmedium dispergiertes Phasenwechselmaterial von 30 Gew.-% bis 80 Gew.-%, vorzugsweise 70 Gew.-%, vorzugsweise von 40 Gew.-% bis 60 Gew.-%,
c) einem Emulgator von 0 Gew.-% bis 10 Gew.-%, vorzugsweise von 0,1 Gew.-% bis 5 Gew.-%,
d) in dem Dispersionsmedium dispergiertes Kristallisationsadditiv von 0 Gew.-% bis 5 Gew.-%
e) ggf. weitere Bestandteile, z.B. zur Phasen- und/oder Zyklenstabilisierung, von 0 Gew.-% bis 10 Gew.-%,

a) 15 Gew.-% bis 50 Gew.-% CaCl2.2H2O,
b) 0 Gew.-% bis 2 Gew.-% NaCl
c) 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% KCI
d) 0 Gew.-% bis 3 Gew.-% CaCO3
e) 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% Wasser
f) 0 bis 5 Gew.-% Betain
g) 20 Gew.-% bis 60 Gew.-% pflanzliches Öl als unpolares flüssiges Dispersionsmedium
h) 0 Gew.-% bis 2 Gew.-% weitere Bestandteile,

Insbesondere kann die Phasenwechselmaterialdispersion zumindest in dem Suspo-Emulsionszustand und/oder dem Suspensionszustand, vorzugsweise in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, eine flüssige bis knetbare Konsistenz aufweisen.
Die Viskosität der Phasenwechselmaterialdispersion in dem Emulsionszustand, in dem Suspo-Emulsionszustand und/oder in dem Suspensionszustand kann insbesondere derart eingestellt werden, dass die PCD eine dickflüssige bis hochpastöse (standfeste) Konsistenz, insbesondere eine Viskosität im Bereich von 0,8 Pas bis 200 Pas aufweist.
Bevorzugt weist die Phasenwechselmaterialdispersion zumindest in dem Suspo-Emulsionszustand und/oder dem Suspensionszustand, vorzugsweise in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, eine plastische, pastöse, insbesondere knetbare Konsistenz auf. Eine derartige Konsistenz ist insbesondere für Anwendungen in den klinischen Produkten, wie Waden-/Fesselwickel oder Liegeunterlagen, in Kleidung und in Pferdedecken von Vorteil.
Insbesondere kann die Phasenwechselmaterialdispersion zumindest in dem Emulsionszustand und/oder dem Suspo-Emulsionszustand, vorzugsweise in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, auch pumpfähig sein, was zur Abfüllung in Kunststofffolienbeuteln zur Herstellung von verschweißten Kissenelementen und als Wärme-/Kältetransportmedium für Heizungsanlagen bzw. Klimaanlagen von Vorteil ist.
Ein auf der erfindungsgemäßen PCD basierender kühlender Wadenwickel für Menschen, insbesondere Babys, oder kühlender Fesselwickel für Tiere umfasst zumindest ein Kühlkissen aus einem dicht verschlossenen und mit der PCD gefüllten und verschlossen, z.B. verschweißten Kunststofffolienbeutel, wobei das Kühlkissen in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, weich und verformbar ist, insbesondere wobei die Phasenwechselmaterialdispersion im Bereich der Phasenübergangstemperatur des PCM in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, knetbar ist.
Mit der erfindungsgemäßen PCD können ferner kühlende oder wärmende Babyunterlagen oder kühlende oder wärmende Babykissen umfassend zumindest ein Kühlkissen oder Heizkissen aus einem dicht verschlossenen und mit der Phasenwechselmaterialdispersion gefüllten und verschlossen, z.B. verschweißten Kunststofffolienbeutel hergestellt werden, wobei das Kühlkissen oder Heizkissen im Bereich der Phasenübergangstemperatur des PCM in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, weich und verformbar ist, insbesondere wobei die Phasenwechselmaterialdispersion in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, knetbar ist.
Mit der erfindungsgemäßen PCD können also Kühlkissen oder Heizkissen aus einem dicht verschlossenen und mit der Phasenwechselmaterialdispersion gefüllten und verschlossenen, z.B. verschweißten Kunststofffolienbeutel hergestellt werden, wobei der mit der PCD gefüllte und dicht verschlossene Kunststoffbeutel bzw. das Kühlkissen oder Heizkissen in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, weich und verformbar ist, insbesondere wobei die Phasenwechselmaterialdispersion im Bereich der Phasenübergangstemperatur des PCM in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, knetbar ist. Das Kühlkissen oder Heizkissen kann in entsprechende Stofftaschen von aktiv kühlenden oder wärmenden Kleidungsstücken, wie z.B. in Jacken, Hemden, Hosen, Mützen, Handschuhen, Schuhen oder Helmen, oder in Decken, z.B. Pferdedecken, oder in Manschetten zum Wärmen oder Kühlen des Torsos oder eines Körperteils eines Menschen oder Tieres eingesetzt werden. Auch können die mit der PCD gefüllten und dicht verschlossenen Kunststoffbeutel für Heiz- oder Kühlmatratzen verwendet werden.
Durch die Einstellbarkeit der Viskosität bzw. Konsistenz der PCD kann einerseits die Herstellung des Kühlkissen vereinfacht werden, wenn das PCD bei erhöhter Temperatur mit flüssiger oder pastöser Konsistenz mit einer Abfüllanlage in Kunststofffolienbeuteln abgefüllt und die Kunststofffolienbeutel zu verschlossenen Kühlkissen verschweißt werden. Andererseits können die Kühlkissen, bestehend aus dem mit PCD gefüllten und verschweißten Kunststofffolienbeutel in allen drei Zuständen der PCD weich und verformbar sein.
Die PCD kann ferner als Wärmetransportmedium in einem Kreislauf zwischen einem Wärmeerzeuger, insbesondere einem Brenner oder einer Wärmepumpe, und einem oder mehreren über Rohrleitungen mit dem Wärmeerzeuger verbundenen Radiatoren einer Heizungsanlage eines Gebäudes verwendet werden,

wobei das Phasenwechselmaterial durch Wärmezufuhr in dem Wärmeerzeuger Schmelzenthalpie aufnimmt und geschmolzen wird und dadurch die Phasenwechselmaterialdispersion von einer pumpfähigen Suspension in eine pumpfähige Emulsion umgewandelt wird,
wobei die pumpfähige Emulsion von dem Wärmeerzeuger durch die Rohrleitungen zu dem oder den Radiatoren gepumpt wird,
wobei das Phasenwechselmaterial in dem oder den Radiatoren Erstarrungsenthalpie an die Umgebung abgibt und erstarrt und sich dadurch die Phasenwechselmaterialdispersion von der pumpfähigen Emulsion zurück in die pumpfähige Suspension umwandelt und
wobei die pumpfähige Suspension von dem oder den Radiatoren durch die Rohrleitungen zurück zu dem Wärmeerzeuger gepumpt wird. Hiermit ist z.B. eine Wand- und/oder Deckenheizung von Räumen möglich.

Die PCD kann ferner als Kältetransportmedium in einem Kreislauf zwischen einem Kälteerzeuger und einem oder mehreren über Rohrleitungen mit dem Kälteerzeuger verbundenen Radiatoren einer Klimaanlage verwendet werden,

wobei das Phasenwechselmaterial durch Kältezufuhr in dem Kälteerzeuger Erstarrungsenthalpie abgibt und erstarrt und dadurch die Phasenwechselmaterialdispersion von einer pumpfähigen Emulsion in eine pumpfähige Suspension umgewandelt wird,
wobei die pumpfähige Suspension von dem Kälteerzeuger durch die Rohrleitungen zu dem oder den Radiatoren gepumpt wird,
wobei das Phasenwechselmaterial in dem oder den Radiatoren der Umgebung die Schmelzenthalpie entzieht und schmilzt und sich dadurch die Phasenwechselmaterialdispersion von der pumpfähigen Suspension in die pumpfähige Emulsion umwandelt und
wobei die pumpfähige Emulsion von dem oder den Radiatoren durch die Rohrleitungen zurück zu dem Kälteerzeuger gepumpt wird. Hiermit ist z.B. eine Wand- und/oder Deckenkühlung von Räumen möglich.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Figuren näher erläutert, wobei die Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele miteinander kombiniert werden können.
Figurenliste
Es zeigen:

1 Die Erwärmung eines beispielhaften PCM in einem Klimaschrank,
2 Schmelzkurve einer 18 °C-PCD gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
3 Schmelzkurven der 18 °C-PCD mit unterschiedlichen PEG-Konzentrationen,
4 Foto der 18 °C-PCD mit 25 % PEG,
5 Temperaturkurven von Wasser und eines 21 °C-PCM in 40 °C Luft,
6 Schmelzkurve einer 21 °C-PCD gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
7 Temperaturkurven von Wasser und 25 °C-PCM in 40 °C Luft,
8 Vermessung zweier Kühlauflagen im Klimaschrank (links: PCD, rechts: Hot/Cold-Pack von ALERION),
9 Temperaturkurven des Hot/Cold-Packs von ALERION und eines 25 °C-PCD-Kissens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
10 Temperaturkurven von 27 °C-PCD und 25 °C-PCD gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung im Wärmeschrank bei 40 °C,
11 33°C-PCM Aufschmelzkurve
12 Temperaturkurven von 43 °C-PCM,
13 Temperaturkurve der Mischung Natriumacetat Trihydrat und Natriumthiosulfat Pentahytrat,
14 Temperaturverlauf von PCD (25S43Le) im Vergleich zu Wasser,
15 18 °C-PCM-Abkühlkurve im Kryostat (bei 10,5°C) und im Kühlschrank (bei 6-9°C),
16 Unterkühlung von 21 °C-PCD gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung an Luft ohne Rühren,
17 Unterkühlung der 21 °C-PCD an Luft mit Rühren,
18 Temperaturkurven 25 °C-PCM mit unterschiedlichen Keimbildnerkonzentrationen,
19 Kristallkonfiguration von 18 °C-PCM und 25 °C-PCM,
20 Auswertungsroutine am Beispiel eines 18°C-PCD gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Rheometer Anton Paar Physika MC100,
21 Foto einer stabilen PCD-Probe gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
22 Erstarrungskurve (links) und Aufschmelzkurve (rechts) zweier 25°C-Proben gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung,
23 Vergleichsmessung einer PCD-Kühlkompresse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und einer herkömmlichen Kühlkompresse jeweils mit einer Schichtdicke von 1 cm,
24 Mikroskopische Untersuchung einer kristallisierten PCD-Probe. a) nach der Herstellung, b) nach mehrmaligem Aufschmelzen,
25 Mikroskopische Untersuchung einer kristallisierten PCD-Probe. a) nach falscher Lagerung um 20°C, b) nach einer vollständigen Regeneration in der Mikrowelle und im Kühlschrank,
26 Aufbau einer Rotor-Stator-Mühle,
27 Tropfenerzeugung im Mikrokanal mit T-Mischer,
28 PCD-Beutel gemäß Ausführungsbeispielen der vorliegenden Erfindung für Wasserdampfdiffusionstests (links: PA/PE 90 µm; rechts: PA/PE 130 µm),
29 Zeitlicher Anstieg der eindiffundierten Wassermasse in die beiden Beutel,
30 Simulation eines 18 °C-PCD-Kissens gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung mit und ohne Isolation und Standard-Wasserkompresse als Referenz,
31 Abfüllvorrichtung mit Folienschweißgerät,
32 Horizontalverpackungsmaschine (mit Draufsicht auf das Förderband),
33 Unterdrucktestkammer; links: Unterdruckkammer mit PA/PE-Beutel, rechts: Manometer (Relativdruck = -0,9 bar),
34 Bezug eines PCD-Wadenwickels gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung,
35 PCD-Unterlage gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung für die klinische Anwendung,
36 Vergleichsmessung PCD-Kühlkompresse gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung und konventionelle Kühlkompresse jeweils mit einer Schichtdicke von 3 cm,
37 eine PCD-Jacke,
38 ein Heizsystem mit PCD als Wärmetransportmedium im Heizkreislauf.

Detaillierte Beschreibung der Ausführungsbeispiele
Die erfindungsgemäße Phasenwechselmaterialdispersion (PCD) ist unter anderem wie folgt vorteilhaft:

• Geeignete Materialkombination und Implementierung in ein Kissen bzw. eine Auflage (Materialuntersuchungen, Feldversuche, PCD-Kapselung)
• Handhabbarkeit (Gewicht, Volumen, Befestigung)
• Sicherheit (mangelnde Giftigkeit, Selbststrangulation, keine Gefahr von Verbrühung oder Unterkühlung)

Insbesondere weisen die mit der erfindungsgemäßen PCD herstellbaren Produkte folgende Vorteile auf, woraus ein erhebliches Marktpotential resultiert:

• hohe Wärmekapazität
• definierte Temperatur
• geringer Preis
• angenehme Haptik (Elastizität)
• geringe Gefährdungsklasse bei Beschädigung

Durch Versuche, die im Folgenden dargestellt sind, konnte eine PCD entwickelt werden, mit der entsprechende Produkte realisiert werden können.
Gemäß der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele besteht die PCD aus einer öligen oder sonstigen organischen Phase und einer auf Salzhydraten basierenden PCM-Phase. Dabei ist die organische Phase vorzugsweise die kontinuierliche Phase. Die anorganische Phase bzw. Salzhydratphase bildet das PCM als Dispersphase der PCD und nimmt im Wesentlichen die Schmelzenthalpie auf.
Die Versuche zeigen, dass es möglich ist, bis zu 80 Gew.-% und ggf. sogar darüber in dieser Dispersphase zu realisieren und nach verfahrenstechnischer Vorbehandlung einen Gewichtsanteil von unter 20 % in der kontinuierlichen Phase zu verankern. Das Produkt kann über eine Einbringung von geschmolzenem PCM in die ölige Phase und einer intensiven Vermischung z.B. über Rotor-Startor-Systeme, bei hoher lokaler Scherung, zunächst als eine Emulsion hergestellt werden. Im Verlauf der Produktion wird immer stärkere anorganische Lösung zugetragen und z.B. über einen Inline-Mischer verarbeitet werden, bis die gewünschten Qualitätskriterien erreicht sind.
Als Qualitätskriterien können erreicht werden:

• Einstellung des Viskositätsbereichs, bzw. die entsprechenden Parameter einer viskoelastischen Stoffsystemklasse
• hohe Wärmekapazität
• geeignete Konsistenz, ggf. Pumpfähigkeit bis Knetbarkeit
• anwendungstechnische Eigenschaften

Im Falle der Erstarrung des PCMs durch die vorgesehene Wärmeabfuhr wandeln sich die einzelnen PCM-Tropfen der dispersen Phase nach und nach in feste PCM-Partikel um. Es findet also ein Übergang von einer Emulsion über eine Suspo-Emulsion in eine Suspension statt. Bei Wärmezufuhr wandeln sich die festen PCM-Partikel bzw. Kristalle der dispersen Phase in PCM-Tropfen um. Es findet also ein Übergang von einer Suspension über eine Suspo-Emulsion in eine Emulsion statt. Die Übergänge sind durch den Phasenübergang unter Abgabe bzw. Aufnahme der Schmelzenthalpie bzw. Erstarrungsenthalpie des PCM gekennzeichnet und zyklisch reversibel. In beiden Zuständen liegt die Viskosität in einem gewünschten Bereich, der wunschgemäß eingestellt werden kann. Z.B. können viskoelastische Eigenschaften erzielt werden, wobei sowohl im festen als auch im flüssigen Zustand des PCM-Anteils eine Knetfähigkeit gegeben sein kann. Bei erhöhter Temperatur kann ein Abfüllvorgang möglich sein, insbesondere indem die PCD pumpfähig ist. Die PCD kann so z.B. in eine kissenförmige Struktur, wie z.B. einen Kunststofffolienbeutel eingefüllt werden, der anschließend dicht verschlossen, z.B. verschweißt wird, um ein dicht verschlossenes, mit der PCD gefülltes (weiches bzw. formbares) Kissen zu erzeugen.
Die Basismaterialien der PCD können so ausgewählt werden, dass sie für den klinisch medizinischen Einsatz geeignet sind. Weiter kann der Kunststofffolienbeutel, wenn er verschweißt ist, so diffusionsdicht sein, dass auch PCM-Mischungen verwendet werden können, die sehr hygroskopisch sind.
Wärmekapazität, Gewicht und Dicke der mit der PCD gefüllten Kissen können je nach Anwendung, beispielsweise Kälteauflage einer Babyunterlage, Wadenwickel, Fesselwickel, kühlendes oder heizendes Kleidungsstück oder Pferdedecke oder Wärme- bzw. Kältetransportdispersion etc. wie gewünscht ausgewählt und hergestellt werden.
Die Kühlwirkung bzw. Heizwirkung in dem konstanten Temperaturbereich während des Phasenwechsels des PCM dauert einen ausreichenden Zeitraum lang an. Zusätzlich kann eine Matte, z.B. der Babyunterlage noch einseitig mit einem Isolator, z.B. einem flexiblen Vakuum-Superisolator ausgestattet werden. Hierfür können z.B. Fällungskieselsäuren eingesetzt werden.
Phasenübergangstemperaturen, können z.B. für kühlende Wadenwickel oder Babyunterlagen zwischen 25°C und 35°C liegen. Das passende PCM für diesen Temperaturbereich kann mit einem Salzhydrat, z.B. Calciumchlorid-Hexahydrat mit Additiven von Natriumchlorid, Kaliumchlorid und anderen Kristallisationshilfsmitteln enthalten oder sein. Hiermit können gewünschte Langzeitstabilitäten, eine Vermeidung von Phasentrennungen, Kristallbildungen bezüglich Vermeidung von Beschädigungen der Oberfläche, eine Vermeidung von Unterkühlung und eine Vermeidung einer Entmischung der Suspo-Emulsion sowie andere Parameter erzielt werden. Ferner weist das Salzhydrat eine geringe Toxizität auf.
Andere Ausführungsformen des Produktes lassen sich mit einer Variation der Temperaturbereiche realisieren. Z.B. können Kissen mit einer PCD mit einer Phasenübergangstemperatur des PCM von 21°C in Unterlagen oder Decken eingesetzt werden, wenn Kinder mit deutlich zu hohem Fieber eingeliefert werden und zunächst stark gekühlt und temperiert werden müssen. Bisher werden solche Kinder in Wasserbäder gesetzt, was jedoch umständlich, aufwändig und belastend für den Kreislauf des Kindes ist.
Wird z.B. eine mit PCD gefüllte Kühlmatte, wobei die disperse PCM-Phase eine Phasenübergangstemperatur von 21 °C bereitstellt, kann diese über längere Zeit benutzt werden, ohne dass eine 1:1 Betreuung notwendig ist.
Eine alternative Anwendungsmöglichkeit ist der Einsatz als Heizdecke oder Heizkissen mit einer Phasenübergangstemperatur des PCM als disperse Phase der PCD in einem Temperaturbereich von 30 °C bis 40 °C. Hierfür kann z.B. eine Mischung aus Calciumchlorid-Tetrahydrat mit verschiedenen Additiven als PCM zum Einsatz kommen. Auch Phasenübergangstemperaturen von 43 °C oder höher sind möglich.
Die Produktionsweise eines entsprechenden Kissens oder Disposables kann wie folgt ablaufen:

Ein Kunststofffolienbeutel als taschenförmig verschweißtes Vorprodukt wird mit einer überhitzten Lösung eines vorgemischten Eutektikums befüllt.
Die Befüllstelle wird nachfolgend verschweißt.
Anschließend folgt eine Dichtigkeitsprüfung durch Anwendung eines Druckes und einer Überwachungstechnik, die ein Austreten auch kleinster Mengen an PCM oder organischer Phase erkennt.
Das System wird ggf. evakuiert.

Während des Phasenübergangs liegt die PCD als sogenannte Suspo-Emulsion vor. Hierbei handelt es sich faktisch um ein dreiphasiges System, Es liegen gleichzeitig

eine flüssige kontinuierliche Phase aus einem organischen Stoff,
eine disperse Phase aus dem flüssigen PCM, z.B. einem flüssigen Salzhydrat und
eine disperse Phase aus dem erstarrtem festen PCM, z.B. dem erstarrten partikulären Salzhydrat

Durch den Einsatz von gelartigen Kühlpads oder in Kleidungsstücke eingearbeitete Kissen-Elemente mit dem PCD ist es möglich, eine kontinuierliche Kühlung oder Wärmung zu erreichen.
Die möglichen Temperaturniveaus sind zumindest 21 °C, 25 °C, 27°C und 43°C, aber auch weitere, z.B. zwischen -40° C und +95° C, vorzugsweise im Bereich von -21 ° C bis +56° C, z.B. -21° +/- 2° C, 0° +/-2° C, +15° +/- 2° C, +18° +/- 2° C, +19° +/- 2° C, +21° +/- 2° C, +25° +/- 2° C, +27° +/- 2° C, +29° +/- 2° C, +33° +/- 2° C, +43° +/- 2° C, +56° +/- 2° C oder +89° +/- 2° C.
Ausgewählte Ausführungsbeispiele
Im Folgenden sind einige Ausführungsbeispiele für geeignete PCDs beschrieben. Sobald das PCM in Dispersion, d.h. als Dispersphase (=fein zerteiltes PCM) in Dispersionsmittel (=Öl) mit Tensid (Emulgator), vorliegt, besteht eine PCD. Um eine bessere Übersichtlichkeit in Bezug auf die untersuchten PCDs (Phase Change Dispersion = Phasenwechselmaterialdispersion) zu gewährleisten, wurde folgende Probennomenklatur festgelegt.
Die erste Zahl gibt die Schmelztemperatur an und charakterisiert damit das verwendete PCM. Der nachfolgende Buchstabe steht für das eingesetzte Öl als kontinuierliche Phase: beispielsweise K - Kokosöl, S - Sojaöl. Die nachfolgende Zahl steht für den massenbezogenen Ölanteil der Dispersion in Prozent. Die nachfolgenden Buchstaben stehen für das verwendete Tensid: ohne Bezeichnung = Betain, Le = Leranon, Pa = Palmöl. Die letzte Ziffer gibt Aufschluss über den massenbezogenen Tensidanteil in Prozent. Steht hier keine Zahl, so liegt der Wert bei 3 Gew.-%.
Beispiel 1: PCD mit 18 °C Schmelztemperatur des PCM
Die Materialien des 18 °C-PCMs sind im Wesentlichen die Salze Natriumchlorid (NaCl) und Natriumsulfat Decahydrat (Na₂SO₄.10H₂O) mit den Zusätzen Dinatriumtetraborat Decahydrat als Keimbildner und Kieselsäure (SiO₂) als Verdicker. Die Mischung hat einen Schmelzbereich zwischen 17 °C und 20 °C (vgl. 2).
Polyethylenglycol (PEG) E400 ist ein wasserlösliches und nichttoxisches Polymer mit einem Schmelzpunkt von 4 °C bis 8 °C. Es findet Anwendung als Wirkstoff und Hilfsstoff in der Pharmazie und Medizin. PEG besitzt eine hohe Wasserlöslichkeit, wird aber als Makromolekül nicht in das Salzhydrat eingelagert. Damit ist es für die Herstellung einer PCM-Dispersion geeignet. Die Untersuchungen wurden mit unterschiedlichen PEG-Konzentrationen durchgeführt.
PEG in Mischung mit Wasser und PCM ergibt eine homogene Phase. Durch Anwesenheit des PEGs steigt die Wärmekapazität des PCMs deutlich an. In 3 zeigen die Kurven mit einem Massenanteil von 10 Gew.-% und 25 Gew.-% PEG einen größeren latenten Bereich als das reine PCM. Bei höheren Konzentrationen, wie bei der Kurve mit einem Anteil von 50 % PEG ersichtlich ist, existiert kein latenter Bereich mehr. D.h. es findet kein signifikanter Phasenwechsel mehr statt.
Die 18 °C-PCM-Dispersion mit 25 % PEG weist im „erstarrten“ Zustand eine noch leicht knetbare Konsistenz auf und ist damit z.B. für die Anwendung als Kühlauflage geeignet (vgl. 4)
Beispiel 2: Anwendung bei 21 °C
Eine PCM-Mischung von zwei Salzhydraten, Calciumchlorid Hexahydrat (CaCl₂.6H₂O) und Magnesiumchlorid Hexahydrat (MgCl₂.6H₂O), hat einen Schmelzpunkt von ca. 23 °C (vgl. 5). 6 zeigt die PCM Dispersion die gegen 22 °C schmilzt.
PCM mit Öl und Tensiden
Die PCM-Dispersion (PCD) können durch Mischen von PCM (polar) und Öl (unpolar) hergestellt werden. Zur Stabilisierung der Dispersion können grenzflächenaktive Substanzen, wie Tenside (Emulgatoren) verwendet werden, um die Grenzflächenspannung an der Öl-Wasser-Phasengrenzfläche zu senken. Sie vermitteln zwischen den beiden Phasen und haben einen polaren und einen unpolaren Teil.
Beispiel 3: 25 °C-PCM-Dispersion (25 °C-PCD)
Für Kühlkompressen kann beispielsweise ein ungefährliches Salzhydrat, welches einen Schmelzpunkt von 25 °C aufweist, verwendet werden, z.B. eine Mischung von Calciumchlorid Hexahydrat (CaCl2.6H2O), Natriumchlorid (NaCl) und Kaliumchlorid (KCI).
Die Dispersion enthält einen Anteil einer öligen Phase oder einer sonstigen organischen Phase und einen Anteil an einer auf unschädlichen Salzhydraten basierenden PCM-Phase. Die organische Phase bildet die kontinuierliche Phase. Die Salzhydratphase, welche im Wesentlichen die Schmelzenthalpie aufnimmt, bildet die Dispersphase. Demnach liegt unterhalb der Phasenübergangstemperatur des PCM ein partikulärer Zustand für die Dispersphase vor.
Das Basismaterial einer solchen 25 °C-PCD (vgl. 7) kann also aus Calciumchlorid Hexahydrat (CaCl₂.6H₂O) bestehen. Weitere Bestandteile können Natriumchlorid (NaCl) und Kaliumchlorid (KCI) und zusätzlich geringe Konzentrationen von Calciumcarbonat (CaCO₃) als Keimbildner (Kristallisationsadditiv) sein. Die Bestandteile eines 27 °C-PCMs sind identisch.
Es wurden Versuche mit unterschiedlichen grenzflächenaktiven sowie anionischen Tensiden durchgeführt. Dazu gehören: Natriumlaurylsulfat (SDS), amphotere Tenside (Dinatriumcocoamphoacetat Betain), nicht-ionische Tenside (Iso-C13-Ethoxylate Leranon) und Sojaöl bzw. Kokosöl als unpolare Phase.
Ein erstes Ausführungsbeispiel der 25 °C-PCD besteht zu 70 Massen-% aus Sojaöl. Als Tensid kommt Betain zum Einsatz, welches für die Kühlanwendung im medizinischen Bereich geeignet ist. Ein erfindungsgemäß hergestelltes 25 °C-PCD-Kühlkissen wird mit einem Hot/Cold-Pack von ALERION Health Care getestet und miteinander verglichen (vgl. 8). Die Messung in 9 zeigt, dass das 25 °C-PCD deutlich länger kühlt als das auf dem Markt verfügbare Hot/Cold-Pack von ALERION.
Es wurde eine weitere verbesserte 25 °C-PCD hergestellt, welche einer Phasentrennung und damit einer ungewollten Kristallbildung vorbeugt und gute Kneteigenschaften aufweist. Die entsprechende Rezeptur der Dispersion ist in der folgenden Tabelle aufgeführt:

Substanz Gew.-%

CaCl2.2H2O 33,71

NaCl 0,25

KCI 2,53

CaCO3 0,80

Wasser 16,98

Betain 2,89

Sojaöl 42,83

Summe 100,00
Calciumchlorid (CaCl2) wird die Lebensmittelindustrie als Komplexbildner, Geschmacksverstärker und Stabilisator (unter anderem bei der Trinkwasseraufbereitung) verwendet. Es ist in der EU als Lebensmittelzusatzstoff der Nummer E 509 zugelassen.
Natriumchlorid (NaCl), als Speisesalz, ist ein wichtiger Bestandteil der menschlichen Ernährung.
Kaliumchlorid (KCl) wird in der Lebensmitteltechnik als Festigungsmittel und Geschmacksverstärker eingesetzt. Es ist in der EU als Lebensmittelzusatzstoff der Nummer E 508 ohne Höchstmengenbeschränkung für alle als Zusatzstoff zugelassenen Lebensmittel erlaubt. Kaliumchlorid wird großtechnisch zur Herstellung von Kalidünger genutzt.
Bariumhydroxid Ba(OH)₂ kann als Keimbildner verwendet werden und wirkt in wässrigen Lösungen stark basisch und wird als Basenkatalysator in einer Vielzahl von organischen Reaktionen verwendet. In einem Vorversuch diente Bariumhydroxid als Keimbildner für das 25 °C-PCM. In dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel wurde Bariumhydroxid allerdings durch Calciumcarbonat (CaCO₃) als Keimbildner ersetzt, wodurch die Unterkühlung von 10 °C auf 3 °C reduziert werden kann. Calciumcarbonat ist als Lebensmittelzusatzstoff und - farbstoff (E170) zugelassen und wird beispielsweise als Backtriebmittel in Teigwaren eingesetzt. Im Speisesalz ist es als Rieselhilfe enthalten. Betain
wird in dem Ausführungsbeispiel als Emulgator/Tensid verwendet, wobei R eine Alkylkette aus 5 bis 21 C-Atomen ist. Namensgeber ist der Naturstoff Betain, das Trimethylammonioacetat. Es wird aus Kokosöl bzw. Kokosfett gewonnen, ist ein mildes amphoteres Waschtensid, welches sehr gut Haut- und schleimhautverträglich ist. In vielen Shampoos wird z. b. Cocoamidopropylbetain (Kokostettsäure-amidopropylbetain, betam HT'') als Tensid eingesetzt.
Sojaöl (auch Sojabohnenöl) ist ein aus der Sojabohne (Glycine max) gewonnenes pflanzliches Öl, das hauptsächlich als Nahrungsmittel Verwendung findet. Sojaöl wurde aufgrund seiner Wärmeleitfähigkeit gewählt, es sind aber auch andere Öle, wie z.B. Olivenöl, Sonnenblumenöl, Rapsöl, Kokosöl, Heizöl (Mineralöl) oder andere verwendbar.
Das 25°C-PCM weist insbesondere folgende Eigenschaften auf:

T-History Messmethode

Cpl (kJ/(kg.K)) 2,57

Cps (kJ/(kg.K)) 3,84

Tm (°C) 25,7

Hm (kJ/kg) 149

Unterkühlung (°C) 2,3-3,6
Die Bestimmung der Enthalpie erfolgt nach Hong et al., siehe unten.
Beispiel 4: Materialien mit einer Schmelztemperatur von 27°C
Ein 27 °C-PCD wird wie das 25 °C-PCD hergestellt. Lediglich die prozentuale Zusammensetzung unterscheidet sich geringfügig. In 10 sind die Temperaturkurven des 25 °C- und 27 °C-PCDs gegenübergestellt.
Beispiel 5: 33 °C-PCM
Eine Arbeitstemperatur von 33 °C ist ebenfalls sinnvoll. Hierfür wurde die folgende Mischung entwickelt: 60 Gew.-% Natriumazetat Tetrahydrat und 40 °Gew.-% Harnstoff. Als ölige Phase kann Wasser mit modifizierter Starke zugegeben werden. Die Aufschmelzkurve des entwickelten PCMs ist in 11 dargestellt.
Beispiel 6: PCM mit einer Schmelztemperatur von 43°C für Heizkissen
Ein Calciumchlorid Tetrahydrat CaCl₂.4H₂O PCM wird durch Abdampfen von Dihydrat aus Calciumchlorid-Hexahydrat CaCl₂.6H₂O hergestellt. CaCl₂.2H₂O + 4H₂O → CaCl₂.6H₂O CaCl₂.6H₂O - 2H₂O → CaCl₂.4H₂O
Die Herstellung wird über die Änderung des Gesamtgewichts von CaCl₂ und H₂O kontrolliert. Die Temperaturkurven des 43 °C-PCMs in 12 zeigen, dass sich die Schmelztemperatur nach dem dritten Zyklus von 35 °C zu 46 °C ändert.
Interessant ist, in welcher Zusammensetzung das Calciumchlorid Tetrahydrat CaCl₂.4H₂O vorliegt. Es könnte sein, dass es als Mischung aus CaCl₂.2H₂O, CaCl₂.6H₂O und CaCl2.4H₂O vorliegt. Darauf basierend kann ein PCM (Natriumacetat Trihydrat und Natriumthiosulfat Pentahydrat) mit einem Schmelztemperaturbereich zwischen 37 und 40 °C hergestellt werden, das z.B. für Heizkissen geeignet sein kann, vgl. 13. Auch aus diesem PCM lässt sich entsprechend den anderen Beispielen eine PCD herstellen.
Es wurden weitere Untersuchungen hinsichtlich der Zusammensetzung dieses Salzhydrats durchgeführt, um eine gute Mischung zu finden. Diese beläuft sich beispielsweise auf: 42 Gew.-% Natriumacetat-Trihydrat, 48 Gew.-% Natriumthiosulfat Pentahydrat und 10 Gew.-% Wasser.
Das Material unterkühlt wie gewünscht, und durch Betätigen eines Metallplättchens als Kristallisationsstarter im Kissen lasst sich die Kristallisation starten. Es findet also keine spontane Kristallisation statt. Wiederholungsmessungen haben gezeigt, dass dieser Prozess reversibel und damit das Material zyklenstabil ist. Ein wesentlicher Vorteil dieses Materials ist die starke Unterkühlung, da dadurch keine zu hohen und damit keine unangenehmen Oberflächentemperaturen am Kissen auftreten.
Weitere Ausführungsbeispiele sind wie folgt zusammengesetzt:
Beispiel 7
+18° +/- 1° Celsius: 20% bis 30% Na2SO4, 10% bis 15% NaCl, 30% bis 35% Wasser, 0% bis 2% Kristallisationsadditive, 0% bis 5% Tenside, 30% bis 60% Öl, 2% bis 5% weitere Bestandteile, wobei sich die Bestandteile zu 100 Gewichtsprozent summieren.
Beispiel 8
+21° +/-1 ° Celsius: 10% bis 40% CaCl2.2H2O, 30% bis 50% MgCl2.6H2O, 0% bis 30% Wasser, 0% bis 3% Kristallisationsadditiv, 0% bis 5% Tenside, 30% bis 60% Öl, 2% bis 5% weitere Bestandteile, wobei sich die Bestandteile zu 100 Gewichtsprozent summieren.
Beispiel 9
+27° +/-1 ° Celsius: 15% bis 50% CaCl2.2H2O, 0% bis 2% NaCl, 0% bis 3% KCI, 0% bis 3% Kristallisationsadditive, 0% bis 30% Wasser, 0 bis 5% Tenside, 30% bis 60% Öl, 0% bis 2% weitere Bestandteile wobei sich die Bestandteile zu 100 Gewichtsprozent summieren.
Beispiel 10
+29° +/-1° Celsius 30% bis 60% CaCl2.2H2O, 0% bis 40% Wasser, 0% bis 3% Kristallisationsadditive, 0 bis 5% Tenside, 30% bis 60% Öl, 0% bis 2% weitere Bestandteile wobei sich die Bestandteile zu 100 Gewichtsprozent summieren.
Beispiel 11
+56° +/-1 ° Celsius: 10% bis 40% CaCl2.2H2O, 30% bis 50% MgCl2.6H2O, 0% bis 30% Wasser, 0% bis 3% Kristallisationsadditive, 0% bis 5% Tenside, 30% bis 60% Öl, 0% bis 2% weitere Bestandteile, wobei sich die Bestandteile zu 100 Gewichtsprozent summieren.
Beispiel 12
+89° +/- 1° Celsius: 30% bis 50% Mg(NO3)2, 20% bis 50% Wasser, 0% bis 3% Kristallisationsadditive, 0 bis 5% Tenside, 30% bis 60% Öl, 0% bis 2% weitere Bestandteile wobei sich die Bestandteile zu 100 Gewichtsprozent summieren.
Bestimmung der Wärmekapazität
Das grundlegende Messprinzip bei der T-History-Methode ist der Vergleich der Temperaturänderung einer Probe mit einer bekannten Referenzsubstanz bei gleichen Umgebungsbedingungen. Dabei werden die Proben einer plötzlichen Temperaturänderung ausgesetzt und die Sprungantwort als Temperatur-Zeit-Verlauf aufgenommen. Der Name „T-History“ kommt daher, dass die „Temperaturgeschichte“ also der zeitliche Temperaturverlauf aufgezeichnet wird. Das Aufheiz- bzw. Abkühlverhalten einer Substanz durch einen Temperatursprung in einer wohldefinierten Umgebung lässt eine quantitative Analyse von Wärmekapazität sowohl im festen, als auch im flüssigen Zustand und der Phasenübergangsenthalpie zu.
Die in 14 dargestellte Kurve zeigt den Temperaturverlauf der PCD-Probe „25S43Le“ und die von Wasser. Die Bestimmung der Enthalpie erfolgt nach Hong et al.(H. Hong, S. K. Kim, und Y.-S. Kim, „Accuracy improvement of T-history method for measuring heat of fusion of various materials", Int. J. Refrig., Bd. 27, Nr. 4, S. 360-366, Juni 2004) und die Ergebnisse sind in der folgenden Tabelle dargestellt. Es ist zu erkennen, dass die Werte stark variieren, wobei die Ergebnisse mit der Kalorimeter-Methode bestätigt werden können. Tabelle: Schmelzenthalpien h_m der 25 °C-PCD Reihe

PCD hm [kJ/kg]

25S43Le 98

25K50Le 68-178

25K40 32-121

25S53,5 37 - 78
Unterkühlung
18 °C-PCM
Natrium Tetraborat Decahydrat (Borax) für Na₂SO₄.10H₂O ist als Keimbildner geeignet und verringert eine Unterkühlung. Messungen des PCMs mit 1,4 bis 1,5 Gew.-% Borax wurden durchgeführt. 15 zeigt, dass der Kristallisationspunkt bei 16 °C liegt und die Unterkühlung um 1,5 bis 4 °C reduziert wird.
21 °C-PCM
Durch Rühren mittels eines Emulgierapparats kann die Homogenität der PCD erhalten bleiben. Die Unterkühlungstemperatur ist jedoch gering und unterscheidet sich im gerührten und nicht gerührten PCD nur geringfügig, vgl. 16 und 17.
PCM 25°C und 27 °C
Bariumhydroxid Ba(OH)₂ wirkt in wässrigen Lösungen stark basisch und wird als Basenkatalysator in einer Vielzahl von organischen Reaktionen verwendet. In den Versuchen dient Bariumhydroxid als Keimbildner für ein 25 °C und 27 °C-PCM (CaCl2.6H2O). In 18 ist deutlich erkennbar, dass die Unterkühlung durch die Zugabe von Bariumhydroxid stark verringert werden kann.
Calciumcarbonat CaCO₃ ist als Lebensmittelzusatzstoff und -farbstoff (E170) zugelassen. Im Rahmen der Erfindung kann Calciumcarbonat als Keimbildner verwendet werden, um die Unterkühlung z.B. von 10 °C auf 3 °C zu reduzieren.
Konstanz der Knetbarkeit bei mehrfachen Lastwechseln
Die Knetbarkeit des PCD verändert sich nach mehrfachen Lastwechseln bei richtiger Handhabung nicht. D. h., dass das Material bei vollständiger Aufladung (=Aufschmelzen des PCM) und anschließender vollständiger Entladung (=Kristallisieren des PCM) im Kühlschrank bei Temperaturen unter 10 °C keine signifikante Veränderung hinsichtlich der Kristallgröße und damit hinsichtlich der Knetbarkeit aufweist.
Konzentrationsbereiche
Für die spätere Anwendung beispielsweise einer Kühlauflage kann das eingesetzte PCD eine möglichst hohe Speicherdichte besitzen und trotz auskristallisierter disperser Phase weiterhin knetbar bleiben. Daher wird angestrebt, möglichst viel PCM (= disperse Phase) und nur so viel Öl (= Dispersionsmittel) wie nötig, um die entsprechende Viskosität zu erhalten, pro Volumen einzusetzen. Um die optimalen Massenverhältnisse von disperser zur kontinuierlichen Phase herauszuarbeiten, wurden diverse Versuche durchgeführt.

Bei den Salzen bzw. Salzmischungen, die mit Öl als Dispersionsmittel versetzt werden können, kann mit einer Größenordnung von 60 Gew.-% PCM und ca. 40 Gew.--% Dispersionsmittel plus Tensid die gewünschte Viskosität erreicht werden. Es wurden verschiedene PCDs mit unterschiedlichen Dispersionsmitteln und Tensiden hergestellt, um den Einfluss dieser sowohl auf die Langzeitstabilität als auch auf die kalorischen Eigenschaften zu untersuchen. Für das 25 °C-PCD sind exemplarische Zusammensetzungen in der folgenden Tabelle aufgeführt. Tabelle: Zusammensetzungen ausgewählter PCDs

Bezeichnung	Zusammensetzung (massenbezogen)	Konsistenz (im erstarrten Zustand)
25S40Le	57 %PCM / 40 % Sojaöl / 3 % Lecithin	relativ fest
25S43Le	54 %PCM / 43 % Sojaöl / 3 % Lecithin	gut
25S53Le	44 %PCM / 53 % Sojaöl / 3 % Lecithin	relativ flüssig
25K30	67 % PCM / 30 % Kokosfett / 3 % Betain	geringfügig fest
25K40	57 % PCM / 40 % Kokosfett / 3 % Betain	gut
25K50	47 % PCM / 50 % Kokosfett / 3 % Betain	k.A. / schnelle Entmischung
25K40Pa	57 % PCM / 40 % Kokosfett / 3 % Palmöl	sehr fest
25K60Pa	37 % PCM / 60 % Kokosfett / 3 % Palmöl	sehr fest

Die übrigen PCDs können analog zusammengesetzt werden. Z.B. weist das 18 °C-PCD, das mit Polyethylenglykol (PEG) als kontinuierliche Phase versetzt ist, eine geeignete Viskosität bei einem Anteil von 25 Gew.-% auf.
Abhängigkeit von der Kristallgröße
Eine konstante Kristallgröße ist für die Stabilität der erzeugten Dispersionen relevant, denn sie definiert die Oberfläche und damit die Wechselwirkungen zwischen disperser und kontinuierlicher Phase und die Sedimentationszeit. Da die Kristallgröße beim ersten Herstellen in einem Rotor-Stator-System mechanisch generiert werden kann, ist die Kristallgröße über lange Zeit und viele Zyklen lediglich von der Tensidkonzentration abhängig. Diesbezüglich hat sich z.B. Betain und Leranon bei 3 Gew.-% als geeignet erwiesen, wie sich in Zyklenversuchen (6 bis 35 °C) gezeigt hat.
Neben der Kristallgröße selbst wurden weitere Faktoren ermittelt, die z.B. beim Transfer von einer Salzhydrat-Rezeptur auf eine andere relevant sein können. Hier wird bei der Formulierung besonders auf die Kristall-Populationsdichte geachtet, welche durch den Gewichtsanteil des PCM eingestellt werden kann. Hier kann ein Optimum zwischen maximaler Speicherkapazität ohne Koaleszenz der Einzeltropfen gefunden werden. Es unterscheiden sich die Salzhydrate durch ihre atomare Kristallgitterstruktur, die sich auch in makroskopische Kristallstrukturen fortsetzt. In 19 sind die Kristallkonfiguration von zwei Proben der 18 °C bzw. 25 °C PCM dargestellt. Die signifikant (Faktor 10 bis 100) höheren Oberfläche/Volumen-Verhältnisse bei nadelförmigen Kristallen wirken sich deutlich starker auf die Stabilität und Viskosität der Dispersionen aus als die mittlere Kristallgröße.
Somit wurden die meisten beispielhaften Rezepturen speziell auf ein Salzhydrat zugeschnitten. Im Fall der Nadelstrukturen konnte beim 25 °C-PCM auf einen Verdicker verzichtet werden, da die Dispersion bereits aufgrund hoher Grenzflächen geliert. Allerdings stellen die Nadeln gewisse mechanische Anforderungen an die Verpackungsmaterialien in Form der Kunststofffolien.
Pumpfähigkeit, nicht-newtonsches, thixotropes Verhalten
Die Wechselwirkungen der dispergierten Öl-Salzhydrat-Phasen verändern stark die Förderbarkeit der Dispersion. Neben einer allgemeinen Erhöhung der Viskosität zeigt z.B. das 18 °C-Material auch scherverdünnende nicht-newtonsche Eigenschaften, die beim Handling zu beachten sind (vgl. 20). Besonders das 25 °C-Material zeigt zusätzlich noch eine Schergrenze, d. h. es verhält sich nach kurzer Zeit in Ruhe eher wie ein Feststoff (vgl. Quark).
Für die Abfüllung wurden somit folgende Schlussfolgerungen gezogen: Die Dispersion kann vortemperiert und als Emulsion (über dem Schmelzpunkt) abgefüllt werden, um verbesserte Fließeigenschaften und somit Abfüllgeschwindigkeiten zu erlangen. Aufgrund der nicht-newtonschen Schergrenze, z.B. bei der 25 °C-Dispersion kann die Mischung kurz vor der Abfüllung mittels einer Durchflusszelle erneut geschert werden. Neben den besseren Abfülleigenschaften wird dadurch auch eine gleichmäßigere Qualität bei langen Abfülldauern gewährleistet. Toträume sollten idealerweise vermieden werden, um scherungsfreie Bereiche, z.B. in Rohrleitungen, und damit verbundene mögliche Verstopfungen zu vermeiden.
Im Endprodukt können die nicht-newtonschen Eigenschaften, insbesondere die Schergrenze eine positive Eigenschaft sein, da die Langzeitstabilität bei der Lagerung verbessert werden kann.
Untersuchung der Konzentrationsbereiche
Untersuchungen der Konzentrationsbereiche haben gezeigt, dass es hinsichtlich der Knetbarkeit ein Optimum geben kann. Eine zu hohe PCM-Konzentration führt zu einer hohen Viskosität im erstarrten Zustand; eine zu hohe Öl-Konzentration führt im aufgeschmolzenen Zustand zu einer geringen Viskosität. Exemplarisch geeignete Konzentrationsverhältnisse sind in den vorstehenden Beispielen aufgeführt.
Phasentrennung der Dispersion
Hinsichtlich der Phasentrennung wurden folgende Untersuchungen angestellt. Diese betreffen im Wesentlichen zwei Bereiche: Die Inhaltsstoffe und das Herstellverfahren der Dispersion. Hinsichtlich der Inhaltsstoffe wurden verschiedene Sojaöle und Tenside getestet. Zusätzlich wurde eine Wassergehaltsbestimmung der Salzhydrate wegen ihrer Hygroskopizität durchgeführt, da ein geringer Wasserüberschuss in der Dispersion eine Phasentrennung begünstigt. Zu beachten ist, dass in dem Tensid Betain 30 % Wasser neben 70 % waschaktiver Substanz enthalten ist. Dieser Wasseranteil ist beim Ansetzen eines PCMs zu berücksichtigen. Beim Herstellverfahren der Dispersion ist auf die Temperatur, Dispergierdauer und -temperatur zu achten. Die Temperatur sollte unterhalb von 40 °C gehalten werden, indem ein zu hoher Wärmeeintrag durch eine Heizplatte und/oder durch das Dispergieren vermieden wird, um eine sofortige Entmischung zu verhindern. Des Weiteren kann eine Phasentrennung durch eine hinreichend hohe Drehzahl des Dispergierers vermieden werden. In 21 ist eine phasenstabile Probe zu sehen, die maximal 2 min bei maximaler Drehzahl von 24.000 s^-1 und ohne Überschreiten der Grenztemperatur von 40 °C hergestellt wurde.
Langzeitstabilität bei Kaltlagerung
Die Langzeit Stabilität bei Kaltlagerung bei 6 °C (=Kühlschranktemperatur), ist gegeben. Die untersuchten Proben weisen auch noch nach einer Lagerdauer von 12 Monaten keine Veränderungen auf, sowohl hinsichtlich ihrer Rheologie als auch hinsichtlich ihrer thermischen Eigenschaften.
Langzeitstabilität bei häufigen Lastwechseln
Die Langzeitstabilität ist auch nach häufigen Lastwechseln gegeben. Allerdings kann sich die Unterkühlung deutlich verstärken. Eine beispielhafte Probe, die sich in einem PA/PE-Beutel mit strukturierter Oberfläche (Lava) befand, wies noch nach 2 Monaten bei täglichen Lastwechseln eine Unterkühlung von maximal 3 K auf. Die Probe in einem unstrukturierten PA/PE-Beutel wies keine Unterkühlung auf.
In 22 ist nach einer Testdauer von 6 Monaten eine deutliche Unterkühlung von 12 K bis 15 K zu erkennen (linkes Bild). Eine größere Unterkühlung ist in den Ausführungsbeispielen nicht aufgetreten. Im rechten Bild in 22 sind die Aufschmelzkurven zweier Proben mit jeweils einer Schmelztemperatur um 25 °C dargestellt. D.h. trotz der starken Unterkühlung bleibt das Aufschmelzverhalten der Probe unverändert.
Um einer starken Unterkühlung entgegenzuwirken, kann die Probe in einem Behälter mit Wasser in einer Mikrowelle vollständig aufgeschmolzen werden. Danach wird sie zur Regeneration in einen Kühlschrank gelegt.
Wärmeübertragungseigenschaften
Von konventionellen Kühlkompressen ist bekannt, dass der Wärmetransport in das oder aus dem menschlichen Körpergewebe ausreichend ist, wenn die Temperaturdifferenz zwischen der Kompressen- und der Hauttemperatur groß genug ist. D.h., wenn der zeitliche Temperaturanstieg (bzw. -abfall im Fall einer Warmkompresse) der PCD-Kompresse bis zur Schmelztemperatur dem der Wasserkompresse ähnelt oder im Idealfall der Gradient größer (bzw. kleiner) ist, dann ist eine ausreichende Kühlleistung (bzw. Heizleistung) der PCD-Kompresse gewährleistet.
Experimentelle Untersuchungen haben gezeigt, dass der Wärmetransport des PCDs nicht durch den noch anfänglich kristallisierten Zustand des Salzhydrats limitiert ist. Die ölige Phase sorgt für einen ausreichenden konvektiven Wärmetransport im Kissen. Dies konnte mit Kühlkompressen in Form von mit dem PCD gefüllten Kühlkissen unterschiedlicher Schichtdicken von 1 cm und 3 cm im Vergleich zu konventionellen Kühlkompressen gezeigt werden.
Mikroskopische Kristallisationsvorqanqe
Die Dispersionen weisen nach mehrmaligen Aufschmelz- und Erstarrungsversuchen keine signifikanten Veränderungen hinsichtlich der Kristallstruktur auf. Hierbei wurde explizit darauf geachtet, dass die Probe direkt nach dem Aufschmelzen zum Regenerieren in den Kühlschrank gelegt wurde. In 24a) ist die kristallisierte Probe direkt nach der Herstellung abgebildet. Zu erkennen sind Luftbläschen, die beim Dispergieren eingetragen wurden. Dies ist geräteabhängig.
Nach mehrmaligem Aufschmelzen können diese aus dem PCD entfernt werden, vgl. 24b).
In 25a) ist eine kristallisierte Probe zu sehen, die bei Raumtemperatur (ungünstige Lagerbedingungen) für mehrere Tage gelagert wurde. Hierbei bilden sich spitze Kristalle bis zu einer Länge von 2 mm aus. In 25b) ist die Probe aus 25a) nach der vollständigen Regeneration in einer Mikrowelle und anschließendem Erstarren im Kühlschrank zu sehen. Hierbei ist klar erkennbar, dass sich die Kristalle deutlich verkleinert haben und nicht mehr die spitzen Strukturen aufweisen.
Herstellungsverfahren für das PCD
Es soll eine Öl/Wasser-Emulsion bzw. Suspension in feindisperse und stabile Form überführt werden.
Grundprinzip der Verfahren ist dabei das Erzeugen von Scherung im Produkt, um die eigentlich unlöslichen Stoffe und zugegebenen Tenside auf erwünschte Art zu zerkleinern und zu verteilen. Versuche haben dabei ergeben, dass sich bei der Herstellung der PCM-Dispersionen eine Herstellung mit flüssigem PCM anbietet, da die Tropfen mit weniger Energieaufwand und kontrollierter zerkleinert werden können, als die PCM-Kristalle. Somit wird bei allen Arbeitspunkten mit (erwärmter) Emulsion gearbeitet.
Eine feine Verteilung einer dispersen flüssigen PCM-Phase in einer unlöslichen Ölphase kann durch Zerteilungsprozesse von größeren Tropfen in kleinere geschehen (Top-down Ansatz).
Herstellung über eine Rotor-Stator-Mühle
Rotor-Stator-Mühlen oder Rührer (z.B. Ultra-Turrax, 26) bestehen aus einem schnelldrehenden Rotor und einem festen Stator, in die die Tropfen oder Partikel beschleunigt werden und so hohe Scherkräfte erfahren. Eine weitere Variante der Rotor-Stator-Mühle ist eine Kugelmühle, bei der Kugeln in einem Zwischenraum Tropfen oder Partikel durch Scherung zerteilen.

Neben dem breiten Einsatzbereich bei der Viskosität und geforderten Partikelgröße, gibt es die Rotor-Stator Systeme auch in jeder Größenordnung von Labormaßstab bis zum großtechnischen Maßstab. Beispielhafte charakteristische Kenngrößen sind in der folgenden Tabelle im Vergleich dargestellt

	Rotor-Stator-Mühle		Kugelmühle
Tip-Speed [m/s]	25	50	variabel
Viskositätsbereich [mPas]	10³- 10⁵	1-5000	300-8000
Optimale Viskosität [mPas]	15000	2000	600-2400
Partikelgröße [µm]	2-100	1-100	0,5-100
Leistungsbedarf [kW]	2-150	2-150	2-150
Vormischen erforderlich	Ja	Ja	Nein

Die vorstehend beschriebenen Beispiel-Dispersionen wurden dabei allesamt mit einem Ultra-Turrax hergestellt. Da über die Drehzahl des Rührwerks schnell und vergleichbar unterschiedliche Scherraten auf die PCM/Öl-Mischungen angelegt werden konnten, bietet sich dieses System sowohl bei der Grundlagenentwicklung als auch im Produktionsmaßstab an. Grundlage beim Scale-up ist dabei die Geschwindigkeit der Rührerspitze.
Herstellung über Ultraschall
Bei der Herstellung von Emulsionen kann Ultraschall z.B. mit einer Frequenz um die 20 bis 200 kHz verwendet werden. Hierbei wird ein Stab zum Schwingen gebracht, der an der Spitze sehr hohe Scherungen erzeugt und so die Tropfen zerkleinert. Neben dem mechanischen Zerschlagen durch den Stab führt besonders die Kavitation durch starke lokale Druckschwankungen zu einem Zerkleinern. Es kann bei diesem Verfahren zusätzlich ein Rührorgan vorgesehen sein, um eine makroskopische Mischung der Dispersion zu verbessern.
Herstellung über Hochdruckdüsen

Beim Zerkleinern und Homogenisieren durch Hochdruckdüsen werden vorgemischte Suspensionen oder Emulsionen auf einen Druck von 50 bis 1000 bar komprimiert, dann durch ein Ventil auf Atmosphärendruck entspannt. Die Zerkleinerung der Tropfen und Partikel/Agglomerate ist dabei ein Zusammenspiel von Turbulenz, Drall, Kavitation und mechanischer Scherung am Düsenaustritt. Emulsionen können mit sehr kleinen Tropfengrößen und auch in großtechnischem Maßstab (z.B. Milch) hergestellt werden. In der folgenden Tabelle sind analog zu den Rotor-Stator-Systemen grobe Kenngrößen im Produktionsmaßstab gelistet. Tabelle: Kenngrößen zu einem Hochdruckhomogenisator:

Verfahren	Hochdruckhomogenisator
Vordruck [bar]	50-700 (Grenzbereich 1000)
Viskositätsbereich [mPas]	1-20³
Optimale Viskosität [mPas]	1-200
Partikelgröße [µm]	0,1-2
Leistungsbedarf [kW]	2-220
Vormischen erforderlich	Ja

Für die Herstellung einer PCM-Dispersion wurde ein Hochdruckhomogenisator des Karlsruher Instituts für Technologie verwendet, welcher dort in einem vorangegangenen Projekt in Kooperation mit der HS Mannheim aufgebaut wurde. Bei diesem Verfahren ist eine Vermischung beider Phasen vorteilhaft, bevor sie durch die Düse entspannt wird. Das Herstellverfahren von Dispersionen über das Rotor-Stator-Prinzip ist für Mengen im kleinen Kilogrammmaßstab praktikabler. Das Hochdruckemulsionsverfahren stellt ein für größere Chargen (Serienproduktion) geeignetes Verfahren dar.
Herstellung über Mikrokanaltechnik
In Mikrokanälen lassen sich sehr kontrolliert Tropfen herstellen. Hier werden die beiden Reinstoffe PCM und die unpolare Ölphase in einem Kanal zusammengeführt. Die Tropfengröße der Dispersion wird dabei neben der Mikrokanalgeometrie primär durch das Verhältnis der Strömungsgeschwindigkeit der Einzelkomponenten gesteuert. In Versuchen (27) wurde mit einem T-Mischer gearbeitet, der 2 mm Tropfen kanalfüllend erzeugt.
Das Verfahren eignet sich gut, um eine homogene Tropfengröße zu generieren. Da die erzeugte Tropfengröße bei einfachen Mikroreaktoren fest an dessen Geometrie gekoppelt ist und eine Tropfen bzw. Partikelgröße um die 100 µm erwünscht sein kann, eignet sich die Herstellung im Mikroreaktor aber vor allem zu Forschungszwecken. Im Versuch lagen die Volumenströme bei etwa 1 ml/min und ist somit besser für Forschungszwecke als für angestrebte Produktionsmaßstäbe geeignet.
Housing und Befüllung
Geeignete Housing-Materialien
Als Housing-Material kann eine Kunststofffolie verwendet werden. Beispielsweise sind PA/PE-(Polyamid/Polyethylen)-Folien geeignet. Vorteilhaft ist, wenn die Kunststofffolie thermisch verschweißbar ist, da so mit einfachen Mitteln und geringem Aufwand dichte Beutel in Form von mit dem PCD gefüllten verschweißten Kunststofffolienbeuteln hergestellt werden können. Damit kommen vor allem Kunststofffolien aus thermoplastischem Material oder Verbundfolien mit thermoplastischer Schicht in Frage.
Vorliegend wurden folgende beispielhafte Folien untersucht:

▪ PE(Polyethylen)-Folie
▪ PA/PE(Polyamid/Polyethylen)-Verbundfolie
▪ ESCAL NEO-Folie. Hierbei handelt es sich um eine keramikbeschichtete PET/PE(Polyethylenterephthalat/Polyethylen)-Verbundfolie.

Die wichtigsten technischen Daten zu den verschiedenen exemplarischen Kunststofffolien sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

Bezeichnung	PE-Folie	PA/PE-Verbundfolie	ESCAL NEO-Folie
Material	PE	PA/PE	Keramikbeschichtete PET/PE
Anbieter	LongLifeForArtⁱ	LongLifeForArt	LongLifeForArt
Dicke [µm]	200	20/70	115
Wasserdampfdurchlässigkeit* [g/m²d]	0,4	2,8	0,08 bei 40 °C und 90 % rF
Kosten(ca.)** [€/lfm]	1,0	1,44	18,8

* bei 20 °C und 85 % rel. Luftfeuchte
** bei einer Abnahmemenge von 10 Ifm, Breite 1 m

Wie aus der vorstehenden hervorgeht, weist die PE-Folie sowohl eine vorteilhaft geringe Wasserdampfdurchlässigkeit auf als auch geringe Kosten pro Ifm. Die PA/PE-Verbundfolie liegt hinsichtlich der Wasserdampfdurchlässigkeit etwa um einen Faktor sieben über der reinen PE-Folie, besitzt allerdings lediglich etwa die halbe Folienstärke. Der Preis ist nur geringfügig höher. Hinsichtlich der geringen Wasserdampfdurchlässigkeit ist die ESCAL NEO-Folie mit 0,08 g/m²d sehr gut, ist aber mit 18,8 €/lfm teuer. Neben der PA/PE-Verbundfolie mit einer Stärke von 90 µm wurde noch eine PA/PE-Verbundfolie mit 130 µm für die Untersuchung herangezogen. Beide PA/PE-Verbundfolien mit 90 µm oder 130 µm sind grundsätzlich geeignet. Der PA-Anteil in der Verbundfolie sorgt für eine höhere mechanische Stabilität. Eine Polyesterfolie kommt auch in Frage, allerdings ist die Verarbeitung schwieriger als bei PE-Folien. Eine Polyesterfolie kann aber mit höhere Schweißtemperaturen um 250 °C oder per Ultraschallschweißen verschweißt werden. Die Wasserdampfdurchlässigkeit ist einer Polyesterfolie beträgt etwa 50 g/m²d bei 23 °C und 85 % r.F. und einer Folienstärke von 100 µm. Zusammenfassend können grundsätzlich verschiedene Kunststofffolien verwendet werden, wobei allerdings PE-Folien und PA/PE-Folien als besonders geeignet erachtet werden.
Diffusionsdichtigkeit
Für Untersuchungen der Diffusionsdichtigkeit wegen der beinhalteten hygroskopischen Materialien werden Beutel der gewünschten Kunststofffolien mit jeweils einer definierten Masse an PCD befüllt. Die Startmasse der Proben wurden vermessen und im Raum bei normalen Bedingungen gelagert. Während der Lagerung wurden die Probenbeutel wiederkehrend verwogen, um die Masse des eindiffundierten Wassers zu bestimmen. In 28 sind zwei Proben mit 30 °C-PCD dargestellt, davon eine eingeschweißt in einen Beutel aus 90 µm PA/PE-Folie (28, links) und eine eingeschweißt in einen Beutel aus 130 µm PA/PE-Folie (28, rechts).

Die wichtigsten Kenndaten der PA/PE-Verbundfolienbeutel sind in der folgenden Tabelle aufgeführt.

	PA/PE-Verbundfolie (A)	PA/PE-Verbundfolie (B)
Hersteller	Landig + Lava	Gruber-Folien
Materialstärke (PA/PE) /µm	20/70	30/100
Abmessungen(Breite x Länge) /mm	100 × 150	100 × 150
Masse(Folie) /g	2,436	8,9
Masse(lnhalt=PCD) /g	60,616	60,140
Gesamtmasse /g	63,052	69,040

Wie aus der vorstehenden Tabelle ersichtlich weisen die beiden Beutel die gleichen Größen auf. Dies ist notwendig, so dass die gleiche Oberfläche für die Diffusion zur Verfügung steht.
Der zeitliche Verlauf der eindiffundierten Wassermasse für die beiden Beutel ist in 29 dargestellt.
Aus 29 geht hervor, dass der Beutel mit der dickeren Folie nach 77 Tagen ca. 0,84 g Wasser aus der Raumluft aufgenommen hat, der mit der dünneren Folie ca. 1,39 g. Bezogen auf die Ausgangsmasse der PCD entspricht diese aufgenommene Wassermasse bei der 70 µm Folie etwa einer relativen Zunahme von 2,3 % und entsprechenden bei der 130 µm Folie ungefähr 1,4 %. Der Unterschied zwischen beiden verwendeten Folien ist jedoch nicht so signifikant, so dass weiterhin die 90 µm Folie verwendet werden kann. Nach 15 Tagen waren die gewünschten Spezifikationen noch gegeben.
Langzeituntersuchung
Eine Langzeituntersuchung des 25 °C-PCDs hat gezeigt, dass auch nach ungefähr 6 Monaten die gewünschten thermischen Eigenschaften trotz der eindiffundierten Wassermenge über die noch Raumluft gegeben sein können. Getestet wurden hierbei zwei Folien, nämlich die PA/PE-Folie von Lava (strukturiert) und eine PA/PE-Schlauchbeutelfolie mit 90 µm von Bema (glatt, ohne Struktur). Bei der Lava-Folie ist 1,12 Gew.-% bezogen auf eine PCD-Anfangsmasse von 96,16 g und bei der Bema-Folie ist lediglich 0,61 Gew.-% Wasser bezogen auf eine Anfangsmasse von 96,18 g durch die Folie ins PCD diffundiert. Die Lava-Folie ist aufgrund der strukturierten Oberfläche (größere Oberfläche und teilweise geringere Schichtdicke) durchlässiger für den in der Raumluft befindlichen Wasserdampf als die Bema-Folie. Daher kann beispielsweise auch die PA/PE- Verbundfolie mit einer Stärke von 90 µm verwendet werden.
Die konkrete Auswahl der Kunststofffolie kann an den Anwendungsfall angepasst werden. Zwei Anwendungsfälle können hier besonders hervorgehoben werden:

■ Einsatz im Krankenhaus:
- Um hier die Funktion auch nach einer längeren Lagerung zu gewährleisten, kann das PCD-Kissen in einer besonders wasserdampfundurchlässigen Folie, z.B. in einer sogenannten Aluminiumverbundfolie des Typs 20 T zusätzlich umverpackt werden.
- Somit ist das Kissen für die spätere Anwendung sogar steril. Bei der Aluverbundfolie handelt es sich um eine Folie aus einer 12 µm PET-Folie, einer 12 µm Aluminiumschicht und einer 75 µm PE-Folie. Die Wasserdampfdurchlässigkeit liegt unter 0,01 g/m²d bei 20 °C und 85 % r.F. und kostet ca. 2,5 €/lfm. Im Krankenhaus handelt es sich um ein Medizinprodukt, das nach einmaliger Verwendung entsorgt wird.
▪ Einsatz im Privathaushalt: Hier soll eine mehrmalige Anwendung gegeben sein. Eine Verwendbarkeitsdauer von mindestens 1 bis 3 Monaten sollte mit den genannten Kunststofffolien erreichbar sein.

Einflüsse von Sekundaroberflächen
Das PCD-Kissen kann mit einer textilen äußeren Oberfläche versehen werden, um einen angenehmen Hautkontakt zu gewährleisten. Thermoplastische Folien können hierzu mit unterschiedlichen Materialien beflockt werden. Bei einer Decklage aus Polyamid (PA) können speziell beschichtete Folien oder Stoffe zum Aufkleben verwendet werden. Die Stoffe zum Aufkleben sollten hautverträglich, nicht saugfähig und damit abwaschbar sein. Daher bieten sich synthetische Stoffe, z. B. Polyester, Polyamid, Elasthan oder Polyacryl an.
Einfluss thermische Isolation
Als thermisches Isoliermaterial kommen spezielle Mikrofasern, pyrogene oder gefällte Kieselsäure in Frage. Im vakuumierten Zustand weisen diese eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1 mW/(K m) auf. Dies bringt eine Schichtdickenreduzierung um Faktor 10 gegenüber klassischen Dämmmaterialien. Bei einer Kühlunterlage mit einer Schmelztemperatur von 18 °C lässt sich durch eine 1 mm-Isolierschicht schon eine deutlich höhere Oberflächentemperatur erzielen, wie aus 30 hervorgeht.
In 30 ist der Temperaturverlauf eines 18 °C-PCDs mit und ohne Isolierung und als Referenz der Verlauf von Wasser über die Zeit aufgetragen. Zu erkennen ist, dass sich bei dem Kissen ohne Isolierung eine mittlere Temperatur von etwa 22 °C einstellt. Bei dem Kissen mit Isolierung erhöht sich die Temperatur um etwa 7 K auf 29 °C. Dieses Simulationsergebnis zeigt, dass durch die innovative Isolierschicht auf einfache Weise weitere Temperaturstufen neben den bereits vorhandenen Arbeitstemperaturen bedient werden können. Die Isolierschichtstärke kann an den Anwendungsfall angepasst werden, ebenso die Wärmeleitfähigkeit durch das eingestellte Vakuum im Kissen bei der Herstellung.
Verschweißvorgang
Die Beutelfolie lasst sich mit dem thermischen Schweißverfahren insbesondere im unbefüllten Zustand gut verschweißen. Produktreste können eine Schweißung der beiden Folienlagen behindern.
Fließverhalten zwischen den Kompartimenten
Die Befüllung kann kompartimentweise mit einem thermischen Schweißverfahren erfolgen. Mögliche Verbindungsstege lassen sich aber auch nachträglich verschweißen, wenn die Folie zuvor produktberührt war, dann sind z.B. Ultraschweißverfahren geeignet, welche allerdings kostenintensiver sind.
Abfüllung Dosierbarkeit
Eine pumpfähige PCD lässt sich z.B. mit einer Hubkolbenpumpe oder einer Exzenterschneckenpumpe fördern. Mit diesen Pumpen ist eine genaue Dosierung möglich. Es sollte ggf. darauf geachtet werden, dass Produktreste nicht zu lange in der Pumpe zurückbleiben, um die Ausbildung von Kristallen zu vermeiden. So kann eine abrasive Wirkung auf die in der Pumpe befindlichen Dichtungen vermieden werden und so die Standzeit verlängert werden.
Zur Abfüllung einer ersten Kleinserie wurde die in 31 dargestellte Abfüllvorrichtung mit einem sich darüber befindlichen Folienschweißgerät aufgebaut.
Einfluss der Temperatur auf die Abfüllung
Im Fall einer vertikalen Abfüllung liegen die erforderlichen Produkttemperaturen zum Abfüllen weit unterhalb der maximal zulässigen Temperaturen der Verbundfolie. Hierfür kann also eine herkömmliche vertikale Abfüll- und Verpackungsanlage verwendet werden. Bei Verwendung einer Horizontalverpackungsmaschine kann die PCD zuerst in Formen abgefüllt werden, welche dann in einem Gefrierschrank gekühlt werden, damit diese bei der Verpackung formstabil bleiben (vgl. 32) Der zeitaufwendige Zwischenschritt zur Herstellung eines formstabilen PCD-Elements ließe sich aber z.B. durch den Einsatz einer Kühlkokille ersetzen. Damit ist eine kontinuierliche Produktion möglich.
Dichtigkeitsprüfungen
Die mit der PCD befüllten und verschweißten Kissen wurden einigen Dichtigkeitstests unterzogen, wie zum Beispiel:

• Häufiges Knicken
• Belastung durch eine Person
• Unterdrucktests in einer Vakuumkammer wie in 33 dargestellt

Für die Unterdrucktests wurde eine Vakuumkammer aufgebaut. Hiermit lassen sich die Folien und die Schweißnähte mit bis zu 9 to/m² (-0,9 bar) belasten. Die hergestellten Kissen halten sicher und dauerhaft einem Unterdruck von -0,7 bar stand.
Einsatzbereich PCD-Wadenwickel / PCD-Fesselwickel
Der PCD-Waden- bzw. PCD-Fesselwickel besteht aus dem verschweißten PCD-Kühlkissen und einem separaten textilen Bezug. Der dünne Bezug kann z.B. aus 100% Baumwolle bestehen, vgl. 34. Dieser erhöht den Tragekomfort und lässt sich bei 40°C waschen. Durch einen seitlichen Umschlag kann das PCD-Kühlkissen für die Anwendung eingelegt werden.
Die Befestigung an der Wade kann durch aufgenähte Klettverschlüsse auf der Rückseite des Bezuges erfolgen. Die PCD ist über 8 °C gut knetbar und lässt sich somit leicht verteilen und in die gewünschte Form bringen.
Die PCD-Menge für einen Wadenwickel für ein Kleinkind wird beispielweise mit 200 g pro Bein gewählt. Mit einer Enthalpie von 98 kJ/kg (25S43Le) ergibt sich eine Kühlenergie von ca. 20 kJ pro Bein. Hiermit kann je nach Gebrauch eine Kühldauer von mindestens 30 Minuten gewährleistet werden. Diese Zeitspanne ist vorteilhaft, weil medikamentöse Behandlungen wie die Vergabe von z.B. Paracetamol erst nach ca. 30 Minuten ihre Wirkung zeigen. Diese Zeitspanne kann mit dem PCD-Wadenwickel überbrückt werden.
Einsatzbereich Kühlunterlage
Für die klinische Anwendung wird eine Unterlagengröße von 400x250 mm vorgeschlagen (in 35 das linke PCD-Kissen). Diese Größe ist auch bei der Auswahl thermischer Schweißgeräte für die Beutel-/Kissenherstellung nicht einschränkend. Die Dicke der leicht knetbaren PCD-Schicht kann z.B. 10 mm betragen.
Als Kühldauer werden 2 bis 4 Stunden vorgeschlagen. Damit diese Kühldauer bei der zuvor genannten Auflagengröße gewährleistet werden kann, wurde eine PCD Menge von 1,5 kg berechnet (10 mm Dicke der Auflage). Mit einer Enthalpie von 98 kJ/kg (25S43Le) ergibt sich eine Kühlenergie von ca. 150 kJ. Bei einem Test mit einer erwachsenen Testperson konnte so eine Kühldauer von rund 3 Stunden erzielt werden. Falls eine geringere oder eine längere Kühldauer gewünscht wird, kann diese einfach über die Dicke der Auflage und damit über die Füllmasse an PCD eingestellt werden.
Einsatzbereich Heizkissen
Ein Anwendungsfall für ein PCD-Heizkissen sind Krankentransporte von Kleinkindern. Im Heimgebrauch konkurriert das PCD-Heizkissen mit der klassischen Wärmflasche, wohingegen sich das PCD-Heizkissen durch eine angenehmere Temperatur und eine deutlich längere Heizdauer gegenüber einer klassischen Wärmflasche (mit warmen Wasser gefüllt) auszeichnet. Die Arbeitstemperatur um 40 °C ist eine geeignete Temperatur beispielsweise zur Therapierung von Gelenk-, Nacken- oder Rückenschmerzen.
Haptik der PCD im geschmolzenen und erstarrten Zustand des PCM
Die entwickelten Ausführungsbeispiele von PCDs weisen vorteilhafte haptische Eigenschaften sowohl im kalten (erstarrten) als auch im warmen (geschmolzenen) Zustand auf. Rheologische Untersuchungen des Materials wurden angestellt. Im Falle der PCD-Kissen sind außer beim Durchkneten im Wesentlichen die Viskositäten ohne Scherung relevant.
Oberflächenbeschichtunq
Ein direkter Kontakt einer Kompresse mit der Haut ist für ein Medizinprodukt der Klasse 1 nicht zulässig. Es ist ein atmungsaktives hautvertragliches Material zwischen der Haut und der Auflage zu verwenden. Im Krankenhaus können Baumwolltücher verwendet werden. Für den Heimgebrauch ist wie bei dem PCD-Wadenwickel/Fesselwickel ein loser, waschbarer Überzug aus Baumwolle geeignet.
Disposables
Für ein Einmalprodukt (Disposable) sind die Kosten für Material und Produktion möglichst niedrig zu halten. Die geschätzten Herstellkosten belaufen sich derzeit auf maximal 0,65 €/kg. Derzeit erhältliche herkömmliche Produkte können einen Verkaufspreis von etwa 60 €/kg haben.
Vergleich zu herkömmlichen Produkten
Die hierin vorgeschlagenen PCD-Kühlkompressen haben gegenüber herkömmlichen Wasserwadenwickeln, wie sie hauptsächlich nur im Heimgebrauch zum Einsatz kommen, folgende Vorteile:

▪ angenehmere Kühltemperatur
▪ längere Kühldauer, was häufige Wechsel erspart
▪ kein Flüssigkeitsaustritt
▪ einfaches Handling und flexibler Einsatz

Klassische Kühlkompressen im klinischen Bereich weisen eine kurze Kühldauer auf, wenn sie aus dem Kühlschrank kommen, haben daher nur eine kurze Kühlwirkung und können schnell zu einer Überhitzung führen, wenn sie nicht rechtzeitig gewechselt werden. Wenn sie vor der Anwendung im Gefrierfach gelagert wurden, sind sie in der Regel zu kalt und es kann zu lokalen Unterkühlungen kommen. Somit weist eine Kühlkompresse mit einem mit PCD gefüllten Kissen gegenüber den herkömmlich eingesetzten Produkten deutliche Vorzüge auf.
Klinische Wirkung im Vergleich zu aktiv temperierten Kissen
Die hierin vorgeschlagen PCD-Kühlunterlagen zeichnen sich aufgrund ihrer Energieautarkheit durch flexible Einsatzmöglichkeiten aus. Ein PCD-Heizkissen ist für Patiententransporte vorteilhaft, insbesondere für Kleinkinder, die in unbeheizten Krankenwagen schnell auskühlen können.
Handlingvorteile der hierin vorgeschlagenen PCD-Auflagen sind wie folgt:

▪ Sofortiger Einsatz ist möglich, da kein Anschluss an eine Stromversorgung oder an einen Thermostaten (mit Luft- oder Wasserkreislauf) notwendig ist.
▪ Nicht ortsgebundener und damit flexibler Einsatz ist möglich, da die Auflagen energieautark sind.
▪ Einsatz von PCD-Kühl-/Heizauflagen in Krankenwagen sind sehr hilfreich, da das Kfz-Bordnetz für zusätzliche elektrische Heiz-/Kuhleinrichtungen nicht ausgelegt ist.
▪ Eine Leistungssteigerung (kalt/warm) ist durch Erhöhung der Auflagenanzahl einfach möglich.

Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wurde also unter anderem ein auf einer PCM-Dispersion (PCD) basierendes, isothermes, langzeitwirksames und leicht handhabbares Temperiersystem entwickelt, welches hohen Trage- und Anwendungskomfort garantiert und in der Serienfertigung derart preiswert ist, dass es im klinischen Umfeld als Disposable (Wegwerfartikel) eingesetzt werden kann. Damit ist es unter anderem möglich, Kinder und andere kranke Menschen bei idealen und gleichbleibenden Temperaturen von z.B. 27 °C zu temperieren bzw. zu kühlen. Trotzdem sind die damit hergestellten temperierenden Produkte wasser- und stromanschlussunabhängig.
Bezug nehmend auf 37 kann eine beispielhafte PCD-Jacke 2 am Rücken eine Mehrzahl von Taschen 4 aufweisen, in die durch eine Öffnung 6 der jeweiligen Tasche 4 jeweils ein mit dem PCD gefüllter und verschweißter Kunststofffolienbeutel als PCD-Kissen 8 vom Benutzer eingelegt und wieder entnommen werden kann.
Bezug nehmend auf 38 kann ein PCD-Heizungssystem einen Wärmepumpenkreislauf 12 mit einer Pumpe 16 umfassen. In einem Wärmetauscher 18 wird Wärme aus dem Wärmepumpenkreislauf auf die in einem separaten PCD-Kreislauf 14 zirkulierende PCD übertragen. In dem Wärmetauscher 18 wird der PCD Wärmeenergie zugeführt, wodurch das PCM der PCD in dem Wärmetauscher 18 schmilzt, mithin die PCD Schmelzenthalpie aufnimmt und speichert. Die in allen drei Zuständen, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, pumpfähige PCD wird durch eine Pumpe 20 in dem PCD-Kreislauf 14 einschließlich eines Heizkörpers 22 zirkulierend gepumpt. In dem Heizkörper 22 erstarrt das PCM in der PCD, so dass die PCD Wärmeenergie in Form der Erstarrungsenthalpie des PCM an den Heizkörper 22 abgibt und nachfolgend wieder in den Wärmetauscher 18 gepumpt wird.
Es ist ersichtlich, dass die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele nicht abschließend für die Anwendbarkeit der erfindungsgemäßen Phasenwechselmaterialdispersion (PCD) sind. Gegenstand der Erfindung sind die PCD als solche sowie die beispielhaft genannten Produktanwendungen. Weitere Anwendungen und Produkte basierend auf der hier entwickelten PCD ergeben sich aus der allgemeinen Beschreibung und den nachfolgenden Patentansprüchen.
Ferner ist für den Fachmann ersichtlich, dass Merkmale unabhängig davon, ob sie in der Beschreibung, den Ansprüchen, den Figuren oder anderweitig offenbart sind, auch einzeln wesentliche Bestandteile der Erfindung definieren, selbst wenn sie zusammen mit anderen Merkmalen gemeinsam beschrieben sind.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Nicht-Patentliteratur

Hong et al.(H. Hong, S. K. Kim, und Y.-S. Kim, „Accuracy improvement of T-history method for measuring heat of fusion of various materials“, Int. J. Refrig., Bd. 27, Nr. 4, S. 360-366, Juni 2004) [0109]

Claims

Phasenwechselmaterialdispersion zum Speichern von Schmelz- oder Erstarrungsenthalpie, wobei die Phasenwechselmaterialdispersion von einem Dispersionsmedium und einem in dem Dispersionsmedium dispergierten Phasenwechselmaterial als disperse Phase gebildet wird, wobei das Phasenwechselmaterial eine Phasenübergangstemperatur zwischen dem festen und flüssigen Aggregatzustand aufweist und beim Schmelzen Schmelzenthalpie aufnimmt, um latente Kälte freizusetzen und beim Erstarren Erstarrungsenthalpie abgibt, um latente Wärme freizusetzen, wobei das Dispersionsmedium oberhalb und unterhalb der Phasenübergangstemperatur im flüssigen Zustand vorliegt und wobei die Phasenwechselmaterialdispersion folgende drei Zustände aufweist: einen Emulsionszustand oberhalb der Phasenübergangstemperatur, in welchem die Phasenwechselmaterialdispersion eine Emulsion aus dem flüssigen Dispersionsmedium und dem dispergierten geschmolzenen Phasenwechselmaterial als disperse Phase bildet, einen Suspo-Emulsionszustand im Bereich der Phasenübergangstemperatur, in welchem die Phasenwechselmaterialdispersion eine Suspo-Emulsion aus dem flüssigen Dispersionsmedium und dem teilweise geschmolzenen und teilweise erstarrten Phasenwechselmaterial als gemischte disperse Phase bildet, und einen Suspensionszustand unterhalb der Phasenübergangstemperatur, in welchem die Phasenwechselmaterialdispersion eine Suspension aus dem flüssigen Dispersionsmedium und dem erstarrten Phasenwechselmaterial als disperse Phase bildet, wobei die Phasenwechselmaterialdispersion insbesondere zum zyklischen Aufnehmen der Schmelzenthalpie und Abgeben der Erstarrungsenthalpie des Phasenwechselmaterials eine Vielzahl von zyklisch reversiblen Phasenübergängen von dem Emulsionszustand über den Suspo-Emulsionszustand in den Suspensionszustand und umgekehrt ausführen kann und die Phasenwechselmaterialdispersion dabei eine stabile Dispersion bleibt.
Phasenwechselmaterialdispersion nach Anspruch 1, wobei das Dispersionsmedium eine unpolare Flüssigkeit ist.
Phasenwechselmaterialdispersion nach Anspruch 2, wobei die unpolare Flüssigkeit eine organische Flüssigkeit oder ein Öl ist.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Dispersionsmedium einen oder mehrere der folgenden Stoffe enthält: pflanzliches Öl, insbesondere Sojaöl, Kokosöl, Olivenöl, Sonnenblumenöl, Rapsöl, oder Mineralöl.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial ein polarer Stoff ist.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial beim Erstarren als disperse Phase in der Dispersion kristallisiert.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial ein Salzhydrat enthält.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial einen oder mehrere der folgenden Stoffe enthält: - Natriumchlorid NaCl + Wasser H2O - Natriumhydroxid NaOH + Wasser H2O - Natriumsulfat Na2SO4 + Natriumchlorid NaCl + Wasser H2O - Calciumchlorid CaCl2 + Magnesiumchlorid MgCl2 + Wasser H2O - Calciumchlorid CaCl2 + Natriumchlorid NaCl + Kaliumchlorid KCl + Wasser H2O - Calciumchlorid CaCl2 + Natriumchlorid NaCl + Kaliumchlorid KCl + Wasser H2O - Calciumchlorid CaCl2 + Wasser H2O - Natriumacetat CH3COONa +Urea NH2CONH2 + Wasser H2O - Calciumchlorid CaCl2 + Wasser H2O - Magnesiumchlorid MgCl2 + Magnesiumnitrat Mg(NO3)2 + Wasser H2O - Magnesiumnitrat Mg(NO3)2 + Wasser H2O.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, enthaltend einen Emulgator.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial ein Kristallisationsadditiv enthält.
Phasenwechselmaterialdispersion nach Anspruch 10, wobei das Kristallisationsadditiv einen oder mehrere der folgenden Stoffe enthält: - Natriumchlorid, - Kaliumchlorid, - Bor, - Calciumcarbonat CaCO3, - Bariumhydroxid Ba(OH)2, - Borax Na2B4O7·10H2O.-.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Gewichtsverhältnis aus dem Dispersionsmedium als kontinuierliche Phase zu dem Phasenwechselmaterial als disperse Phase im Bereich von 30 % bis 70 % beträgt.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial eine spezifische Schmelzenthalpie im Bereich von 60 kJ/kg bis 200 kJ/kg aufweist.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial eine Phasenübergangstemperatur im Bereich von -40° Celsius bis +95° Celsius, vorzugsweise im Bereich von -21° Celsius bis +56° Celsius aufweist.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Phasenwechselmaterial eine Phasenübergangstemperatur von -21° +/- 2° Celsius, 0° +/-2° Celsius, +15° +/- 2° Celsius, +18° +/- 2° Celsius, +19° +/- 2° Celsius, +21 ° +/- 2° Celsius, +25° +/- 2° Celsius, +27° +/- 2° Celsius, +29° +/- 2° Celsius, +33° +/- 2° Celsius, +43° +/- 2° Celsius, +56° +/- 2° Celsius oder +89° +/- 2° Celsius aufweist.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, bestehend aus folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent: a) flüssiges Dispersionsmedium von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-%, b) in dem Dispersionsmedium dispergiertes Phasenwechselmaterial von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-%, c) einem Emulgator von 0 Gew.-% bis 10 Gew.-% d) weitere Bestandteile von 0 Gew.-% bis 10 Gew.-%, wobei sich die Bestandteile a) bis d) zu 100 Gew.-% summieren.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, bestehend aus folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent: a) flüssiges Dispersionsmedium von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-%, b) in dem Dispersionsmedium dispergiertes Phasenwechselmaterial von 30 Gew.-% bis 70 Gew.-%, c) einem Emulgator von 0 Gew.-% bis 10 Gew.-% d) in dem Dispersionsmedium dispergiertes Kristallisationsadditiv von 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% e) weitere Bestandteile von 0 Gew.-% bis 10 Gew.-%, wobei sich die Bestandteile a) bis e) zu 100 Gew.-% summieren.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, bestehend aus folgenden Bestandteilen in Gewichtsprozent: a) 15 Gew.-% bis 50 Gew.-% CaCl2.2H2O, b) 0 Gew.-% bis 2 Gew.-% NaCl c) 0 Gew.-% bis 5 Gew.-% KCl d) 0 Gew.-% bis 3 Gew.-% CaCO3 e) 5 Gew.-% bis 30 Gew.-% Wasser f) 0 bis 5 Gew.-% Betain g) 20 Gew.-% bis 60 Gew.-% pflanzliches Öl als unpolares flüssiges Dispersionsmedium h) 0 Gew.-% bis 2 Gew.-% weitere Bestandteile, wobei sich die Bestandteile a) bis h) zu 100 Gew.-% summieren.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Phasenwechselmaterialdispersion in dem Emulsionszustand, in dem Suspo-Emulsionszustand und/oder in dem Suspensionszustand eine Viskosität im Bereich von 0,8 Pas bis 200 Pas aufweist.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Phasenwechselmaterialdispersion zumindest in dem Suspo-Emulsionszustand und/oder dem Suspensionszustand, vorzugsweise in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, eine flüssige bis knetbare Konsistenz aufweist.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Phasenwechselmaterialdispersion zumindest in dem Suspo-Emulsionszustand und/oder dem Suspensionszustand, vorzugsweise in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, eine knetbare Konsistenz aufweist.
Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Phasenwechselmaterialdispersion zumindest in dem Emulsionszustand und/oder dem Suspo-Emulsionszustand, vorzugsweise in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, pumpfähig ist.
Kühlender Wadenwickel für Menschen, insbesondere Babys, oder kühlender Fesselwickel für Tiere umfassend zumindest ein Kühlkissen aus einem dicht verschlossenen und mit der Phasenwechselmaterialdispersion nach Anspruch 20 oder 21 gefüllten Kunststofffolienbeutel, wobei das Kühlkissen in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, weich und verformbar ist, insbesondere wobei die Phasenwechselmaterialdispersion in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, knetbar ist.
Kühlende oder wärmende Babyunterlage oder kühlende oder wärmende Babydecke umfassend zumindest ein Kühlkissen oder Heizkissen aus einem dicht verschlossenen und mit der Phasenwechselmaterialdispersion nach Anspruch 20 oder 21 gefüllten Kunststofffolienbeutel, wobei das Kühlkissen oder Heizkissen in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, weich und verformbar ist, insbesondere wobei die Phasenwechselmaterialdispersion in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, knetbar ist.
Decke oder Manschette zum Wärmen oder Kühlen des Torsos oder eines Körperteils eines Menschen oder Tieres mit zumindest einer Tasche, in der ein Kühlkissen oder Heizkissen aus einem dicht verschlossenen und mit der Phasenwechselmaterialdispersion nach Anspruch 20 oder 21 gefüllten Kunststofffolienbeutel eingebracht ist, wobei das Kühlkissen bzw. Heizkissen in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, weich und verformbar ist, insbesondere wobei die Phasenwechselmaterialdispersion in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, knetbar ist.
Kleidungsstück, insbesondere Jacke, Hemd, Hose, Mütze, Handschuh, Schuh oder Helm mit zumindest einer Tasche, in der ein Kühlkissen oder Heizkissen aus einem dicht verschlossenen und mit der Phasenwechselmaterialdispersion nach Anspruch 20 oder 21 gefüllten Kunststofffolienbeutel eingebracht ist, wobei das Kühlkissen bzw. Heizkissen in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, weich und verformbar ist, insbesondere wobei die Phasenwechselmaterialdispersion in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, knetbar ist.
Kühlkissen, Heizkissen, Kühlmatratze oder Heizmatratze, umfassend zumindest einen mit der Phasenwechselmaterialdispersion nach einem der Ansprüche 1-22 gefüllten und dicht verschlossenen Kunststofffolienbeutel, wobei mit der Phasenwechselmaterialdispersion gefüllte und dicht verschlossene Kunststofffolienbeutel in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, weich und verformbar ist, insbesondere wobei die Phasenwechselmaterialdispersion in jedem der drei Zustände, Emulsionszustand, Suspo-Emulsionszustand und Suspensionszustand, knetbar ist.
Verwendung der Phasenwechselmaterialdispersion nach Anspruch 22 als Wärmetransportmedium in einem Kreislauf zwischen einem Wärmeerzeuger, insbesondere einem Brenner oder einer Wärmepumpe, und einem oder mehreren über Rohrleitungen mit dem Wärmeerzeuger verbundenen Radiatoren einer Heizungsanlage eines Gebäudes, wobei das Phasenwechselmaterial durch Wärmezufuhr in dem Wärmeerzeuger Schmelzenthalpie aufnimmt und geschmolzen wird und dadurch die Phasenwechselmaterialdispersion von einer pumpfähigen Suspension in eine pumpfähige Emulsion umgewandelt wird, wobei die pumpfähige Emulsion von dem Wärmeerzeuger durch die Rohrleitungen zu dem oder den Radiatoren gepumpt wird, wobei das Phasenwechselmaterial in dem oder den Radiatoren die Erstarrungsenthalpie an die Umgebung abgibt und erstarrt und sich dadurch die Phasenwechselmaterialdispersion von der pumpfähigen Emulsion zurück in die pumpfähige Suspension umwandelt und wobei die pumpfähige Suspension von dem oder den Radiatoren durch die Rohrleitungen zurück zu dem Wärmeerzeuger gepumpt wird.
Verwendung der Phasenwechselmaterialdispersion nach Anspruch 22 als Kältetransportmedium in einem Kreislauf zwischen einem Kälteerzeuger und einem oder mehreren über Rohrleitungen mit dem Kälteerzeuger verbundenen Radiatoren einer Klimaanlage, wobei das Phasenwechselmaterial durch Kältezufuhr in dem Kälteerzeuger Erstarrungsenthalpie abgibt und erstarrt und dadurch die Phasenwechselmaterialdispersion von einer pumpfähigen Emulsion in eine pumpfähige Suspension umgewandelt wird, wobei die pumpfähige Suspension von dem Kälteerzeuger durch die Rohrleitungen zu dem oder den Radiatoren gepumpt wird, wobei das Phasenwechselmaterial in dem oder den Radiatoren der Umgebung die Schmelzenthalpie entzieht und schmilzt und sich dadurch die Phasenwechselmaterialdispersion von der pumpfähigen Suspension in die pumpfähige Emulsion umwandelt und wobei die pumpfähige Emulsion von dem oder den Radiatoren durch die Rohrleitungen zurück zu dem Kälteerzeuger gepumpt wird.