DE10332162A1

DE10332162A1 - Latentwärmespeichersystem

Info

Publication number: DE10332162A1
Application number: DE10332162A
Authority: DE
Inventors: Georg J. Dr.rer.nat. Schmitz; Peter Dr.-Ing. Busse; B. Dipl.-Ing. Barath
Original assignee: Access Materials & Processes; ACCESS MATERIALS&PROCESSES
Current assignee: Access Materials & Processes; ACCESS MATERIALS&PROCESSES
Priority date: 2003-07-15
Filing date: 2003-07-15
Publication date: 2005-02-03

Abstract

Offenbart ist ein Latentwärmespeichersystem, in welchem das die latente Wärme speichernde zumindest eine PCM Material sich in zumindest einem Behälter befindet und zumindest teilweise von einem metallischen Schwamm durchsetzt ist. Neben der durch den metallischen Schwamm erzielten, erhöhten Wärmeleitfähigkeit des Latentwärmespeichersystems ergibt sich aufgrund der Verwendung des metallischen Schwammes eine zusätzliche strukturelle Stabilität des Behälters. Diese Stabilität verbessert die mechanischen Eigenschaften des Latentwärmespeichersystems, ermöglicht zusätzliche Anwendungen und eröffnet Raum für neue Konstruktionen derartiger Systeme.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Latentwärmespeichersystem
Latentwärmespeicher sind Wärmespeicher, welche auf Materialien beruhen, die bei einer bestimmten Temperatur einen Phasenwechsel aufweisen. Die bei dem Phasenwechsel freigesetzte bzw. für den Phasenwechsel benötigte Energie wird als latente Wärme und die entsprechenden – in Latentwärmespeichern verwendeten – Materialien als PCM ("phase change materials") bezeichnet.
Die Entwicklung von Latentwärmespeichern hat in den letzten 10 Jahren wesentliche Fortschritte gemacht. Eine Zusammenfassung des aktuellen Standes der Technik sowie eine eingehendere Beschreibung der Funktionsweise von Latentwärmespeichern findet sich im Themeninfo IV/2002 des BINE Informationsdienstes (Fachinformationszentrum Karlsruhe, Mechenstr 57, 53129 Bonn).
Im wesentlichen werden derzeit Paraffine und Salzhydrate als PCM verwendet, welche beim Phasenwechsel fest/flüssig latente Wärmen von einigen 100 kJ/kg aufweisen. Die meisten Anwendungen von Latentwärmespeichern erfolgen derzeit im Temperaturbereich zwischen 0° und 100°C.
Der beim Betrieb des Latentwärmespeichers auftretende Phasenwechsel fest/flüssig erfordert die Einbindung des PCM in zumindest ein weiteres Material, um ein Zerfließen des PCM zu vermeiden.
Die derzeitigen Methoden hierfür sind

• Einbringung des PCM in einen geschlossenen Behälter sog. "Makroverkapselung"
• Mikroverkapselung des PCM
• Infiltration des PCM in poröse Medien und Bindung des PCM über Kapillarkräfte

Jede dieser Methoden weist spezifische Nachteile auf.
Das bei der Makroverkapselung auftretende relativ große Volumen an PCM Material kann aufgrund der schlechten Wärmeleitfähigkeit des PCM Materials nur langsam aufgeschmolzen bzw. erstarrt werden. Dies führt dazu, daß die Be- und Entladezeiten solcher Speicher für viele Anwendungen und insbesondere bei nur kleinen Temperaturunterschieden zu lang sind.
Mikroverkapselte PCM weisen nach Einbringung in Baustoffe wie Gipsplatten oder Putze eine ähnliche Problematik auf. Darüberhinaus ist der erzielbare Volumenanteil an PCM Material in solchen Baustoffen limitiert und diese Bauteile sind in der Regel nicht als strukturtragende Elemente einsetzbar.
Nahezu alle in den letzten Jahren entwickelten Latentwärmespeicher weisen eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit auf. Eine Ausnahme bilden derzeit mit PCM Material infiltrierte Platten aus gepreßtem Graphit. Wesentliche Nachteile dieser Lösung sind jedoch (i) erhöhte Brennbarkeit, (ii) mangelnde strukturelle Stabilität und (iii) hohe Herstellungskosten. Alternativ zur Verwendung des gut wärmeleitenden Graphits wird erfindungsgemäß die Verwendung offenporiger Metallschwämme zur Konstruktion eines Latentwärmespeichersystems vorgeschlagen.
Die Verwendung von Metallschwämmen bietet einen kostengünstigen Lösungsansatz für die bisher auftretenden Problematiken. Insbesondere die Kombination aus struktureller Festigkeit und hoher Wärmeleitfähigkeit bei gleichzeitig niedrigen Herstellungskosten macht Metallschwämme als Matrix- und Strukturbauteile für Latentspeicherwärmesysteme attraktiv.
Metallische Schwämme weisen im Gegensatz zu metallischen Schäumen eine offene Porosität auf, d.h. insbesondere, daß metallische Schwämme von fluiden Medien (Flüssigkeiten und Gasen) durchströmt werden können. Die Herstellung metallischer Schwämme erfolgt in der Regel mit verschiedenen Gießverfahren und die Porenstrukturen und Porenverteilungen der Schwämme können in weiten Bereichen kontrolliert eingestellt werden.
Insbesondere erlaubt eine bimodale Verteilung der Porengröße die Erzielung eines theoretischen Porenvolumens von mehr als 80 % im Metallschwamm.
Alternativ können offenporige Metallstrukturen auch durch andere Verfahren hergestellt werden und extreme Porengeometrien aufweisen. In diesem Sinne werden im Rahmen dieser Anmeldung insbesondere auch metallische Wolle und metallische Filze ( d.h. verpresste Metallfasern) sowie anderweitig erzielbare, offenporige Metallstrukturen als metallische Schwämme aufgefaßt.
Neben der Metallschaumstruktur, welche erfindungsgemäß zumindest teilweise durch das PCM Material durchsetzt ist, ist darüber hinaus zumindest ein Behälter als Makroverkapselung erforderlich, um ein Austreten des PCM Materials im flüssigen/fluiden Zustand zu vermeiden.
Die Geometrie dieses Behälters richtet sich nach speziellen weiteren Anforderungen an das Latentwärmespeichersystem. Neben komplexen Behältergeometrien zur optimalen Raumnutzung z.B. in Automobilen sind plattenförmige Behältergeometrien z.B. zur Verwendung des Latentwärmespeichersystems als Wandelement und rotationssymmetrische Behältergeometrien (Zylinder, Kugeln) aufgrund ihres durch einfaches Rollen möglichen Transports vorteilhaft. Ein einfacher Transport von Wärme mittels eines Latenwärmespeichersystem kann so z.B. durch Rollen einer Vielzahl solcher Kugeln zwischen auf unterschiedlichen Temperaturen befindlichen Bereichen erfolgen. Eine druckdichte Ausgestaltung des Behälters ermöglicht darüber hinaus die Verwendung von PCM Materialien am Phasenübergang flüssig/gasförmig.
AUFGABE DER ERFINDUNG
Aufgabe der Erfindung ist die Angabe eines Latentwärmespeichersystems mit folgenden Eigenschaften

• geringe Be- und Entladezeiten auch bei geringen Temperaturdifferenzen
• hoher Volumenanteil (> 60 %) an PCM Material im System
• strukturell stabiler Aufbau
• schwer entflammbar/schwer brennbar
• ggf auch bei hohen Temperaturen anwendbar

LÖSUNG DER AUFGABE
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Latentwärmespeichersystem bestehend aus mindestens einem PCM Material befindlich in mindestens einer Behälterstruktur gelöst, wobei die mindestens eine Behälterstruktur zumindest einen metallischen Schwamm zumindest teilweise beinhaltet.
AUSFÜHRUNGSBEISPIEL
Ein gemäß Patentschrift DE 197 25210 C1 hergestellter, zylinderförmiger metallischer Schwamm (h = 195 mm, Aussendurchmesser d = 65 mm, Gewicht 588 g, Gesamtvolumen ~ 650 cm³; Porösität ~ 66 %) aus einer Aluminiumlegierung (Al-Si-Mg) wird zunächst entlang der Zylinderachse zu einem Hohlzylinder aufgebohrt (Innendurchmesser 35 mm). Dieser Hohlzylinder wird dann auf ein Kupferrohr (d ~ 35 mm, Wandstärke 1,5 mm, Länge ca. 400 mm) aufgeschrumpft. Über die Aussenfläche des Hohlzylinderschwammes wird ein weiterer Hohlzylinder aus Aluminium (di_innen ~ 65 mm, Wandstärke 1,5 mm, L ~ 195 mm) geschoben. Die Stirnseiten des metallischen Hohlzylinderschwammes werden mit Kreislochscheiben aus Aluminium (d_innen ~ 35 mm, d_aussen ~ 68 mm) verschlossen, indem diese Scheiben mit dem inneren Kupferrohr, den Stirnseiten des metallischen Schwammes und dem äußeren Aluminiumrohr verklebt werden. In eine der beiden Scheiben werden zuvor zwei Löcher mit Gewinden eingebracht, durch die das Latentwärmespeichersystem mit PCM Material befüllt werden kann. Diese Löcher werden nach Befüllen mit dem PCM Material (Paraffin, Fa. Rubitherm, Phasenwechseltemperatur 21°C) mit geeigneten Schrauben und Dichtringen verschlossen. Eine zusätzlich äußere Abdichtung unzureichend dichter Klebestellen mit handelsüblichem Silikon ist möglich.

Claims

Latentwärmespeichersystem bestehend aus mindestens einem PCM Material befindlich in mindestens einer Behälterstruktur, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Behälterstruktur zumindest einen metallischen Schwamm zumindest teilweise beinhaltet.
Latentwärmespeichersystem nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß der zumindest eine metallische Schwamm durch das PCM Material zumindest teilweise durchsetzt ist.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Behälterstruktur kugel- oder zylinderförmig ist.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Behälterstruktur plattenförmig ist.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehendem Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Porenvolumen des mindestens einen metallischen Schwammes mehr als 80 % beträgt
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine metallische Schwamm aus einem Metall oder einer Legierung mit einer Schmelztemperatur oberhalb von 700°C besteht
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine PCM Material Übergangstemperaturen zwischen 10°C und 25°C aufweist.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine PCM Material Übergangstemperaturen zwischen 25°C und 200°C aufweist.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine PCM Material Übergangstemperaturen oberhalb von 200°C aufweist.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine PCM Material ein Metall oder eine Metalllegierung ist.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine PCM Material ausgewählt ist unter: Salz-Wasser Lösungen, Paraffinen, Wachsen, Fetten, Salzhydraten, Mischungen von Salzhydraten, Zuckeralkoholen, Salzen, Mischungen von Salzen
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das mindestens eine PCM Material am Übergang flüssig/gasförmig eingesetzt wird.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Behälterstruktur druckdicht ausgestaltet ist.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens eine Behälterstruktur aus mindestens zwei Bauelementen besteht.
Latentwärmespeichersystem nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei Bauelemente ausgewählt sind unter Kunststoffen, Elastomeren, Keramiken, Gläsern, Metallen, Legierungen.
Latentwärmespeichersystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der Bauelemente mit dem metallischen Schwamm verbunden ist.
Latentwärmespeichersystem nach vorstehendem Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung des mindestens einen Bauelements mit dem metallischen Schwamm thermisch leitend ist.