DE20303514U1 - PCM-Element - Google Patents

PCM-Element

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DE20303514U1 DE20303514U DE20303514U DE20303514U1 DE 20303514 U1 DE20303514 U1 DE 20303514U1 DE 20303514 U DE20303514 U DE 20303514U DE 20303514 U DE20303514 U DE 20303514U DE 20303514 U1 DE20303514 U1 DE 20303514U1
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Description

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EUROPEAN TRADEMARK & DESIGN ATTORNEYS
HAMBURG · BERLIN · MÜNCHEN
DIPL.-ING. JOACHIM RICHTER" · BERLIN
DIPL.-ING. HANNES GERBAULET0 · HAMBURG
DIPL.-ING. FRANZ WERDERMANN0 · -1 9 8
DIPL.-GEOL. MATTHIAS RICHTER · MÜNCHEN
DIPL.-PHYS. DR. ANDREAS HOFMANN0 · MÜNCHEN
Neuer Wall 10/11 · 20354 HAMBURG &bgr; +49/(0)40/34 00 45 / 34 00 56 Telefax +49/(0)40/35 24 15 eMail: ham@rwgh.de
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03075 III 4218
HAMBURG
04.03.2003
Anmelder:
Imtech Deutschland GmbH & Co. KG Tilsiter Straße 162 D-22047 Hamburg
Titel:
PCM-Element
Die vorliegende Erfindung betrifft den Einsatz von Phasenwechselmaterialien zur latenten Wärmespeicherung.
Als Speichermedien bekannt sind zum Beispiel Wasser oder Steine/Beton, um fühlbare ("sensible") Wärme zu speichern, oder Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials, PCM) wie Salze, Salzhydrate oder deren Gemische oder organische Verbindungen (zum Beispiel Paraffin), um Wärme in Form von Schmelzwärme ("latenter" Wärme) zu speichern. Es ist bekannt, dass beim Schmelzen einer Substanz, das heißt beim Übergang von der festen in die flüssige Phase, Wärme verbraucht, das heißt
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aufgenommen wird, die, solange der flüssige Zustand bestehen bleibt, latent gespeichert wird und dass diese latente Wärme beim Erstarren, das heißt beim Übergang von der flüssigen in die feste Phase, wieder frei wird. Grundsätzlich ist für das Laden eines Wärmespeichers eine höhere Temperatur erforderlich als beim Entladen erhalten werden kann, da für den Transport/Fluss von Wärme eine Temperaturdifferenz erforderlich ist. Die Qualität der Wärme ist dabei von der Temperatur, bei der sie wieder zur Verfügung steht, abhängig: Je höher die Temperatur ist, desto besser kann die Wärme abgeführt werden. Aus diesem Grund ist es erstrebenswert, dass das Temperaturniveau bei der Speicherung so wenig wie möglich absinkt. Bei sensibler Wärmespeicherung (zum Beispiel durch Erhitzen von Wasser) ist mit dem Eintrag von Wärme eine stetige Erhitzung des Speichermaterials verbunden (und umgekehrt beim Entladen), während latente Wärme bei der Schmelztemperatur des PCM gespeichert und entladen wird. Latente Wärmespeicherung hat daher gegenüber sensibler Wärmespeicherung den Vorteil, dass sich der Temperaturverlust auf den Verlust beim Wärmetransport von und zum Speicher beschränkt.
Wärmespeicher finden vor allem in Kühlvorrichtungen Anwendung, da sie Wärme aus ihrer Umgebung aufnehmen und abführen können. Um auf Phasenwechselmaterialien (PCM) basierende Wärmespeicher für eine Kühlung von geschlossenen Räumen zu verwenden, ist es bekannt, innerhalb des geschlossenen Raumes oder innerhalb der den Raum umgebenden Wand Kühlflächen anzubringen, die aus einem geeigneten PCM bestehen. Um eine Nachrüstbarkeit der auf PCM basierenden Kühltechnik zu realisieren, ist es vorteilhaft, die Kühlflächen innerhalb von Zwischenwänden oder abgehangenen Decken anzuordnen. Dabei werden entsprechend den kapazitiven Anforderungen und den räumlichen Gegebenheiten unterschiedlichste geometrische Ausführungen der Kühlflächen notwendig.
Hierbei ist es insbesondere problematisch, dass die den geometrischen und kapazitiven Gegebenheiten anzupassenden Kühlflächen äußerst bauaufwendig sind.
Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Bauelement für eine Kühlfläche auf Basis von PCM anzugeben, welches kostengünstig herstellbar ist und einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein PCM-Element mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.
Ein besonderer Vorteil des erfindungsgemäßen PCM-Elementes ist sein hoher Wirkungsgrad, seine einfache geometrische Grundform und sein modulartiger Aufbau. Dadurch, dass Phasenwechselmaterial innerhalb einer, insbesondere zylinderförmigen, Umhüllung angeordnet ist, kann ein optimaler Wärmeübergang mit der Umgebung des PCM-Elementes bei einer sehr einfachen geometrischen Form realisiert werden. Ein erfindungsgemäßes PCM-Element kann als Standardmodul derart verwendet werden, dass aus diesem Standardmodul alle benötigten Formen durch Komposition von PCM-Elementen unterschiedlichster Baugröße erstellt werden. Zur Erhöhung des Wirkungsgrades des erfindungsgemäßen PCM-Elementes ist in einer bevorzugten Ausführungsvariante innerhalb der Umfüllung ein Geflecht und/oder ein Profil aus wärmeleitendem Material angeordnet. Dabei ist das wärmeleitende Profil vorzugsweise ein Aluminium-Strangpressprofil und das wärmeleitende Geflecht vorzugsweise ein homogenes innerhalb der Umhüllung angeordnetes Metallgeflecht. Hierdurch wird dem Problem, dass beim Schmelzen des PCM (durch Wärmeaufnahme aus der Umgebung) die geschmolzene Phase einen schlechten Wärmeübergang hat, entgegengewirkt, da die Wärme innerhalb des PCM-Elementes in geeigneter, effizienter Weise durch das Metallgeflecht beziehungsweise das Aluminium-Strangpressprofil nach innen transportiert wird. Die Geometrie des Geflechts beziehungsweise des Pro-
• ·
fils ist derart ausgestaltet, dass der Wärmetransport von der Zylinderoberfläche zur Mitte optimiert ist.
Insbesondere zur Kühlung von geschlossenen Räumen kommen als Phasenwechselmaterialien Salze, Salzhydrate, Gemische aus Salzen und/oder Salzhydraten und/oder organische Materialien in Betracht. Das organische Material ist vorzugsweise Paraffin.
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung des Wirkungsgrades eines erfindungsgemäßen PCM-Elementes besteht darin, dass innerhalb des PCM-Elementes erfindungsgemäß ein Rohr angeordnet ist. Vorzugsweise ist die Längsachse des PCM-Elementes mit der Längsachse des Rohres identisch. Dem Rohr können entsprechend der jeweiligen Anwendung unterschiedliche Funktionen zukommen. Bei Aufnahme von Wärme in das PCM-Modul über die Außenoberfläche kann nach entsprechender Erwärmung, das heißt beispielsweise nach vollständiger Verflüssigung des PCM, eine Kühlung des Moduls von innen mittels Durchströmung einer Kühlflüssigkeit oder eines kühlenden Gases erfolgen. Andererseits ist es auch möglich, dass eine Flüssigkeit, die beispielsweise für einen Wärmetauscher zur Kühlung von Raumluft vorgesehen ist, durch das Rohr im PCM-Modul geführt wird, um dort gekühlt zu werden. In diesem Fall wird dann alternativ oder ergänzend die spätere Kühlung des erwärmten PCM durch Abstrahlung von Wärme über die Zylinderoberfläche außen und/oder durch Durchspülung des innerhalb des PCM angeordneten Rohres mit einer Kühlflüssigkeit und/oder einem Kühlgas bewirkt.
Zur Realisierung unterschiedlicher Bauformen und Baugrößen ist es erfindungsgemäß vorgesehen, dass mehrere, im Wesentlichen zylinderförmige Umhüllungen parallel und/oder in Reihe angeordnet werden, innerhalb derer Phasenwechselmaterial angeordnet ist. Vorzugsweise sind diese Umhüllungen in regelmäßigen Abständen, parallel zueinander, innerhalb eines Gehäuses angeordnet. Um eine Zufuhr beziehungsweise Abfuhr
von Wärme in beziehungsweise aus jedem PCM-Element bewirken zu können, kann das Gehäuse mit einem Wärmetauscher verbunden sein und/oder eine Lufteintrittsöffnung sowie eine Luftaustrittsöffnung aufweisen.
Weitere bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.
Die Erfindung wird nachfolgend in Ausführungsbeispielen anhand der zugehörigen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine teilweise geschnittene, perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen PCM-Elementes mit einem Metallgeflecht;
Figur 2 eine teilweise geschnittene, perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen PCM-Elementes mit einem Aluminium-Strangpressprofil;
Figur 3 eine schematische Darstellung eines Kühlgerätes bestehend
aus mehreren parallel zueinander angeordneten erfindungsgemäßen PCM-Elementen;
Figur 4 eine schematische Darstellung von 6 erfindungsgemäßen
PCM-Elementen, die mit einem Wärmetauscher kombiniert sind;
Figur 5 eine schematische Darstellung von 18 erfindungsgemäßen
PCM-Elementen, in einer erfindungsgemäßen Anwendung mit einer Lufteintritts- und einer Luftaustrittsöffnung;
Figur 6 eine schematische Darstellung von 7 erfindungsgemäßen
PCM-Elementen, welche in eine Brüstung integriert sind und
Figur 7 eine schematische Darstellung von 8 erfindungsgemäßen
PCM-Elementen, welche hinter einem Schrank angeordnet sind.
Figur 1 zeigt eine teilweise geschnittene, perspektivische Darstellung eines erfindungsgemäßen PCM-Elementes 10. Das PCM-Element 10 besteht aus einer Umhüllung 12, welche die äußere Form des PCM-Elementes 10 definiert. Es ist jedoch zur Anpassung an bauliche Gegebenheiten und/oder aus strömungstechnischen Gründen auch möglich, das PCM-Element mit einem ovalen oder polygonen Querschnitt zu gestalten. Erfindungsgemäß ist das PCM-Element 10 im Wesentlichen zylinderförmig ausgestaltet. Die zylindrische Oberfläche der Umhüllung 12 ermöglicht einen optimalen Wärmeübergang, wodurch das erfindungsgemäße PCM-Element 10 eine hohe Wärmemenge aufnehmen und speichern kann. Innerhalb der Umhüllung 12 ist das Phasenwechselmatenal 14 angeordnet. Die Umhüllung 12 bildet dabei auch die Versiegelung oder Verkapselung des PCM-Elementes 10 aus, um einen Flüssigkeitsaustritt, der zu Substanzverlust beziehungsweise Verunreinigung der Umgebung führen würde, zu verhindern. Darüber hinaus ist innerhalb der Umhüllung 12 ein Metallgeflecht 16 angeordnet, wobei das Metall eine besonders hohe Wärmeleitfähigkeit besitzt. Hierdurch wird erfindungsgemäß erreicht, dass die über die zylindrische Oberfläche aufgenommene Wärmemenge möglichst effizient ins Innere des PCM-Elementes 10 geleitet wird. Dadurch wird insbesondere ein gleichmäßiges Aufschmelzen des Phasenwechselmaterials 14 und eine damit einhergehende gleichmäßige Volumenänderung vermieden. Außerdem wird eine bessere Wärmeaufnahme/-abgabe durch das PCM-Element 10 erreicht. Weiterhin besitzt das erfindungsgemäße PCM-Element 10 ein im Inneren geführtes Rohr 20. Über die Rohranschlüsse 22 kann das PCM-Element 10 von innen über eine
Flüssigkeit oder ein Gas gekühlt werden. Das Rohr 20 wird dabei konzentrisch im PCM-Element 10 angeordnet, so daß die Längsachse L1 des Rohres 20 mit der Längsachse L2 der Umhüllung 12 des PCM-Elements 10 zusammenfällt.
Eine alternative Ausgestaltung des PCM-Elementes 10 ist in Figur 2 perspektivisch dargestellt. Im Gegensatz zum Metallgeflecht 16 weist das erfindungsgemäße PCM-Element 10 ein Aluminium-Strangpressprofil 18 auf. Dieses Aluminium-Strangpressprofil 18 übernimmt hierbei die Aufgabe, die über die Umhüllung 12 aufgenommene Wärmemenge möglichst schnell in das Innere des PCM-Elementes 10 zu transportieren. Die ins Innere geleitete Wärmemenge kann nun über ein Kühlgas oder über eine Kühlflüssigkeit, welche durch das Rohr 20 fließt, abgeführt werden.
Das erfindungsgemäße PCM-Element 10 kann in Geräten unterschiedlichster Bauformen angewendet werden. Dabei ist es besonders vorteilhaft, dass aufgrund der einfachen geometrischen Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen PCM-Elementes 10 entsprechend Figur 1 und 2 die Komposition mehrerer Elemente zu einer gewünschten Bauform besonders kostengünstig herstellbar ist.
Figur 3 zeigt eine Vielzahl parallel zueinander angeordneter PCM-Elemente, welche das so genannte Rohrregister 40 ausbilden. Das Rohrregister 40 repräsentiert dabei die Gesamtheit der modulartig angeordneten Rohre 20. Weiterhin weist das Rohrregister 40 ein Gehäuse 24 auf, innerhalb dessen das Rohrregister 40 angeordnet ist. Dabei kann die Vielzahl der einzelnen, mit Phasenwechselmaterial 14 versehenen PCM-Elemente 10 wie folgt genutzt werden: Über eine (hier nicht dargestellte) Lufteintrittsöffnung 26 und die Luftaustrittsöffnung 28 sowie den Ventilator 30 kann die Raumluft gekühlt werden, indem diese an den einzelnen Umhüllungen 12 vorbeistreicht. Dabei nehmen die einzelnen, mit Phasenwechselmaterial 14 gefüllten PCM-Elemente 10 die Wärme der Raumluft
auf und speichern diese. Zur externen Kühlung und damit zur Abführung der gespeicherten Wärmemenge kann das PCM-Element 10 beispielsweise von Außenluft, insbesondere Nachtluft, durchströmt werden. Es ist jedoch auch möglich, dass die einzelnen PCM-Elemente 10 mittels einer Kühlflüssigkeit oder eines Kühlgases, welche über die Anschlussleitung 42 zu- beziehungsweise abgeführt wird, gekühlt werden. Es ist aber auch möglich, über das Rohrregister 40 die zugeführte Kühlflüssigkeit oder das Kühlgas zu kühlen und über Nachtluft (siehe die durch Pfeile angeordnete Luftströmung) die PCM-Elemente 10 zu kühlen.
In einem weiteren Ausführungsbeispiel entsprechend Figur 4 können erfindungsgemäße PCM-Elemente 10 für Kühldecken Verwendung finden, bei denen die Wärme nur tageszeitabhängig anfällt und die mit einem leistungsmäßig nicht so stark dimensionierten Wärmetauscher 32 verbunden ist. Über die Zwischenschaltung der 6 PCM-Elemente 10 kann auch ein stärker Wärmeanfall für eine bestimmte Zeit verarbeitet werden, ohne dass der Wärmetauscher 32 für besonders hohe Kapazitäten ausgelegt sein muss. Dazu ist der Wärmetauscher 32 über Anschlussleitungen 42 mit dem PCM-Elemente 10 verbunden, welches direkt über eine Zwischendecke 37 unter der Raumdecke 35 angeordnet ist. Die einzelnen, mit Phasenwechselmaterial versehenen Umhüllungen 12 sind so ausgelegt, dass der Schmelzpunkt des Phasenwechselmaterials bei einer kritischen Temperatur liegt, bei welcher der (relativ gering dimensionierte) Wärmetauscher entsprechend auftretende Wärmespitzen nicht mehr bewältigen kann. Nun schmilzt das PCM und speichert die überschüssige Wärme.
Figur 5 zeigt die Verwendung erfindungsgemäßer PCM-Elemente 10 als Vorrichtung zur Kühlung eines geschlossenen Raumes. Hierbei strömt die Raumluft über eine Lufteintrittsöffnung 26 in das Gehäuse 24 und wird durch das Rohrregister 40, welches aus 18 einzelnen PCM-Elementen 10, welche Phasenwechselmaterial 14 aufweisen, besteht, gekühlt. Das Pha-
senwechselmaterial 14 wird dabei derart gewählt, dass sein Schmelzpunkt bei der Temperatur liegt, ab welcher die Luft abgekühlt werden soll. Aufgrund der optimalen Ausgestaltungen als zylinderförmige Elemente wird ein optimaler Wärmeübergang zwischen der zu kühlenden Luft und den einzelnen, mit Phasenwechselmaterial 14 gefüllten Umhüllungen 12 geschaffen, so dass das PCM-Element 10 eine sehr große Wärmemenge aufnehmen kann. Eine Kühlung kann beispielsweise durch eine Kühlflüssigkeit oder ein Kühlgas oder die Speisung mit Kühlluft, vorzugsweise Nachtluft, erfolgen.
Figur 6 zeigt eine weitere Ausgestaltung zur Kühlung von Raumluft. Dabei sind die einzelnen Umhüllungen 12, also das Rohrregister 40, innerhalb einer Brüstung 36 angeordnet. Die Luft wird über eine Lufteintrittsöffnung 26 in das Brüstungsgehäuse eingeführt und tritt aus der Luftaustrittsöffnung 28 aus. Die einzelnen Umhüllungen 12 der PCM-Elemente 10 können zu deren Kühlungen Rohrleitungen aufweisen, durch welche eine Kühlflüssigkeit strömt. Weiterhin ist es möglich, das Brüstungsgehäuse mit Ein- und Austritten für Außenluft zu kombinieren, so dass beispielsweise nachts jedes PCM-Element 10 mit Außenluft gekühlt und tagsüber von der Raumluft erwärmt werden kann. In analoger Weise lässt sich eine Vorrichtung zum Kühlen von Raumluft unter Verwendung von PCM-Elementen 10 hinter einem Schrank 38 anordnen, wie in Figur 7 dargestellt ist.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die hier dargestellten Ausführungsbeispiele. Vielmehr ist es möglich, durch Kombination und Modifikation der genannten Mittel und Merkmale weitere Ausführungsvarianten zu realisieren, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.
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BEZUGSZEICHENLISTE
10 PCM-Element
12 Umhüllung
14 Phasenwechselmaterial
16 Metallgeflecht
18 Aluminium-Strangpressprofil
20 Rohr
22 Rohranschluss
24 Gehäuse
26 Lufteintrittsöffnung
28 Luftaustrittsöffnung
30 Ventilator
32 Wärmetauscher
34 Wand
35 Decke
36 Brüstung
37 abgehängte Decke
38 Schrank
39 Rohrregister
42 Anschlussleitung L1.L2 Längsachse

Claims (19)

1. PCM-Element (10) zur latenten Wärmespeicherung, dadurch gekennzeichnet, dass Phasenwechselmaterial (14) (Phase Change Material) innerhalb einer Umhüllung (12) angeordnet ist.
2. PCM-Element nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Umhüllung (12) ein Geflecht und/oder ein Profil aus wärmeleitendem Material angeordnet ist.
3. PCM-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Profil ein Aluminium-Strangpressprofil (18) ist.
4. PCM-Element nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Geflecht homogen innerhalb der Umhüllung (12) angeordnet ist.
5. PCM-Element nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das wärmeleitende Material ein Metall ist.
6. PCM-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllung (12) aus Material mit sehr hoher Wärmeleitung besteht.
7. PCM-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des PCM-Elementes (10) ein Rohr (20) angeordnet ist.
8. PCM-Element nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse (L2) des PCM-Elementes (10) mit der Längsachse (L1) des Rohres (20) identisch ist.
9. PCM-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das PCM-Element (10) eine lang gestreckte, zylindrische Form aufweist.
10. PCM-Element nach Anspruch 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das PCM-Element (10) einen ovalen oder polygonen Querschnitt aufweist.
11. PCM-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere PCM-Elemente (10) innerhalb eines Gehäuses (24) angeordnet sind.
12. PCM-Element nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungen (12) im Wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind.
13. PCM-Element nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umhüllungen (12) in regelmäßigen Abständen zueinander angeordnet sind.
14. PCM-Element nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (24) eine Lufteintrittsöffnung (26) und eine Luftaustrittsöffnung (28) aufweist.
15. PCM-Element nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilator (30) am Gehäuse (24) angeordnet ist.
16. PCM-Element nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass jedes PCM-Element (10) mit einem Wärmetauscher (32) verbunden ist.
17. PCM-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial (14) ein Salz, ein Salzhydrat, ein Gemisch von Salzen und/oder Salzhydraten und/oder ein organisches Material ist.
18. PCM-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass das organische Material Paraffin ist und das Gemisch Magnesium- und Lithiumnitrat aufweist.
19. PCM-Element nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, dass das PCM-Element (10) als Modul aufgebaut und parallel und in Reihe angeordnet mit mindestens einem weiteren PCM-Element kombinierbar ist.
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