DE20310593U1

DE20310593U1 - PCM-Element

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Publication number: DE20310593U1
Application number: DE20310593U
Authority: DE
Original assignee: Imtech Deutschland GmbH and Co KG
Current assignee: Imtech Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2003-03-04
Filing date: 2003-07-09
Publication date: 2003-10-09
Anticipated expiration: 2013-07-10
Also published as: EP1739376A1; EP1746376A3; EP1746376A2; DE20303514U1

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09.07.2003

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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

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, sowie eine kostengünstige Halterung für das Bauelement bereitzustellen, mit der eine sichere Befestigung erzielbar ist.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein PCM-Element mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. In den abhängigen Ansprüchen 2 bis 25 sind bevorzugte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen PCM-Elementes angegeben.

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

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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 Profils 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

• a

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.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das PCM-Element die Form eines Quaders auf. Hierbei kann das PCM-Element mit einer Bohrung ausgebildet sein, in der eine ein Fluid führende Übertragungseinheit einführbar ist. Durch dieses plattenförmige PCM-Element wird eine größere Wärmeübertragungsfläche erreicht, wodurch sich der Wirkungsgrad erheblich verbessern lässt. Es bietet sich an mehrere PCM-Platten in Reihe an der Übertragungseinheit anzuordnen, so dass eine kompakte und effiziente Wärmeübertragungseinheit entsteht. Während des Betriebes strömt beispielsweise zu kühlende Luft über die Wärmeübertragungsfläche, wobei ein Wärmestrom in Richtung des Temperaturgefälles entsteht. Das bedeutet, dass das PCM-Element über die Außenoberfläche Wärme aufnimmt und diese speichert. Zur Abführung dieser Wärme dient das Fluid, das eine Kühlflüssigkeit oder ein kühlendes Gas sein kann, welches die im PCM-Element gespeicherte Wärme aufnimmt und an einen anderen Ort transportiert.

Die Übertragungseinheit kann aus Metall oder aus Kunststoff besteht. Um eine gute Wärmeleitung zu erzielen kann die Übertragungseinheit aus Aluminium, Stahl, Messing oder Kupfer bestehen. Es ist ebenfalls denkbar, die Übertragungseinheit aus beispielsweise Polyethylen oder aus Fluorkunststoff herzustellen. Bei einer aus Kunststoff bestehenden Übertragungseinheit könnte das Gewicht wesentlich reduziert werden, was in bestimmten Anwendungsfällen von einem wesentlichen Vorteil wäre. Ein

weiterer Vorteil von Kunststoff-Übertragungseinheiten ist, dass bei einem eventuellen Anfall an Kondensat die Übertragungseinheit durch Korrosion nicht beschädigt werden könnte. Der Einsatzbereich einer Polyethylen-Übertragungseinheit liegt bei Temperaturen bis zu ca. 60⁰C. Übertragungseinheiten aus Fluorkunststoff können hingegen bis ca. 18O⁰C eingesetzt werden.

Weiterhin kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Übertragungseinheit eine Querschnittsfläche aufweist, die kreisförmig ist. Es ist ebenfalls möglich, dass die Übertragungseinheit eine elliptische Querschnittsfläche aufweist oder die Übertragungseinheit als Flachrohr ausgestaltet ist. Es hat sich gezeigt, dass die beiden letztgenannten ein günstiges Strömungsverhalten haben, insbesondere bei höheren Strömungsgeschwindigkeiten der Luft, die entlang der PCM-Elemente sowie der Übertragungseinheit strömt.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades weist das PCM-Element eine Abdekkung auf, die aus einem wärmeleitenden Material besteht. Diese Abdekkung ist auf der Außenfläche des PCM-Elementes beziehungsweise auf der Umhüllung angeordnet, wobei die Abdeckung beispielsweise eine Platte sein kann, die aus einem gut wärmeleitenden Material - wie beispielsweise Aluminium - bestehen kann.

Vorzugsweise ist die Übertragungseinheit als Rohr ausgebildet, das mit dem PCM-Element im Presssitz verbunden ist, wodurch eine zuverlässige mechanische und wärmeleitende Verbindung erreicht wird. Dieser Presssitz kann beispielsweise durch ein Keilprofil bewirkt werden, das beispielsweise an der Bohrung des PCM-Elements und/oder an der Mantelfläche des Rohres angeordnet ist. Um das Rohr mit dem PCM-Element zu verbinden, kann das Rohr durch die Bohrung des PCM-Elementes geschoben werden. Anschließend wird das Rohr um seine Längsachse gedreht, wodurch sich der Abstand zwischen der Mantelfläche des Rohres

und der Bohrungskontur des PCM-Elementes vermindert bis die Flächen einander liegen. Beim weiteren Verdrehen des Rohres werden die Keilprofile elastisch verformt, wodurch sich das Rohr und das PCM-Element selbsthemmend verklemmen, so dass eine feste Verbindung zwischen diesen Teilen erreichbar ist. Der Winkel, über den dieses Verdrehen erfolgt, hängt von dem Abstand zwischen der Mantelfläche des Rohres und der Bohrungskontur des PCM-Elementes, von der Elastizität des Materials, aus dem insbesondere die Keilprofile bestehen, von der Steigung der Keilprofile, dem Umfang des Rohres sowie anderen Parametern ab. Sind mehrere PCM-Platten in Reihe auf dem Rohr angeordnet, bildet diese Einheit eine Art Rippenrohr.

Die oben genannte Aufgabe wird ferner durch eine PCM-Halterung für ein PCM-Element mit den in Anspruch 26 gekennzeichneten Merkmalen gelöst, dessen vorteilhafte Weiterbildungen in den Ansprüchen 27 bis 31 angegeben werden.

Erfindungsgemäß weist die PCM-Halterung einen Kanal, in denen ein Fluid führbar ist, und mindestens eine Aufnahmevorrichtung auf, in die das PCM-Element zumindest zum Teil einführbar ist. Bei dem Kanal kann es sich sowohl um einen geschlossenen oder auch einseitig offenen Kanal handeln. Die Aufnahmevorrichtung kann beispielsweise derart ausgebildet sein, dass das PCM-Element in diese eingeschoben werden kann. Die PCM-Halterung kann mit mehreren Aufnahmevorrichtungen ausgebildet sein, die in einem gleichen Abstand zueinander positioniert sein können. In diese Aufnahmevorrichtungen sind die PCM-Elemente einführbar und befestigbar, so dass eine Einheit entsteht mit mehreren übereinander oder nebeneinander liegenden PCM-Elementen, die vorzugsweise mit ihren Seiten- oder Endkanten in der Aufnahmevorrichtung eingespannt sind. Um einen sicheren Halt der PCM-Elemente zu gewährleisten können zwei PCM-Halterungen vorgesehen sein, die in einem Abstand zueinander liegen, wobei die Aufnahmevorrichtungen der beiden PCM-Halterungen zu-

einander gerichtet sind. Zwischen diesen beiden PCM-Halterungen können die PCM-Elemente angeordnet sein. Zur Abführung der in den PCM-Elementen gespeicherten Wärme dient der in der Halterung angeordnete Kanal. Im Falle eines geschlossenen Kanals kann durch diesen das Fluid die Kühlflüssigkeit oder das kühlende Gas - strömen, das die Wärme direkt in der Halterung aufnehmen kann. Hierbei ergibt sich ein Wärmestrom von der in der Aufnahmevorrichtung angeordneten Seitenkante des PCM-Elementes durch eine Wandung des Kanals, die der Aufnahmevorrichtung zugewandt ist, in das Fluid. Durch eine derartige Integration einer Kühlvorrichtung (Kanal) in der PCM-Halterung wird eine kompakte und einfache Gesamtkonstruktion erzielt.

Erfindungsgemäß kann der Kanal eine Querschnittsfläche aufweist, die kreisförmig, ellipsenförmig, rechteckig oder u-förmig ausgebildet ist, wobei es sich bei dem u-förmigen Kanal um einen einseitig offenen Kanal handelt.

Vorteilhafterweise ist die PCM-Halterung als Strangpressprofil ausgebildet, das vorzugsweise aus Aluminium besteht. Da Aluminium gute Wärmeleiteigenschaften aufweist, kann mit der erfindungsgemäßen PCM-Halterung ein hoher Wirkungsgrad hinsichtlich der Wärmeübertragung erreicht werden. Ferner ist eine derartige PCM-Halterung aufgrund des Strangpressverfahrens kostengünstig herzustellen.

Zur Verbesserung des Wirkungsgrades kann die PCM-Halterung eine Wärmeleitpaste mit beispielsweise dauerelastischen Eigenschaften aufweisen, die zwischen dem PCM-Element und der Aufnahmevorrichtung beziehungsweise der Wandung des Kanals angeordnet ist. Die Wärmeleitpaste kann beispielsweise auf Silikonbasis beruhen oder aus Metallen beziehungsweise deren Oxiden bestehen. Die letztgenannten weisen den Vorteil auf, dass sie besser wärmeleitend sind als Silikonpasten.

Bei einer weiteren Alternative weist der Kanal ein Rohr oder einen Schlauch auf, die in einem direkten Kontakt mit dem PCM-Element stehen. Hierbei handelt es sich um einen offenen Kanal, der beispielsweise u-förmig ausgebildet sein kann. Der Schlauch, der zum Beispiel aus einem elastischen Kunststoff bestehen kann, liegt mit einem Teil seiner Mantelfläche an der u-förmigen Wandung des Kanals an. Mit einem anderen Teil der Mantelfläche kontaktiert der Schlauch unmittelbar das PCM-Element, der vorzugsweise an das PCM-Element elastisch herangedrückt ist, wodurch ein guter Wärmeübergang gewährleistet ist.

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,

Figur 7 eine schematische Darstellung von 8 erfindungsgemäßen PCM-Elementen, welche hinter einem Schrank angeordnet sind,

Figur 8 eine schematische Darstellung von PCM-Elementen, die in Reihe auf einer rohrförmigen Übertragungseinheit angeordnet sind,

Figur 9 eine schematische Darstellung von 3 PCM-Elementen, die in einer PCM-Halterung angeordnet sind und

Figur 10 eine weitere Alternative einer PCM-Halterung.

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 zyiinderförmig 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 Phasenwechselmaterial 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 wür-

de, 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 ausge-

legt, 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 Phasenwechselmaterial 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.

Figur 8 zeigt ein zwei PCM-Element 10 als Platten, die an einer Übertragungseinheit 43 angeordnet sind. Die Übertragungseinheit 43 ist ein Rohr, das ein Fluid führt. Die PCM-Platten 10, die jeweils mit einer Bohrung 52 ausgebildet sind, sind in einem Abstand zueinander in Reihe auf dem Rohr 43 angeordnet. Um eine bessere Wärmeleitung zu erzielen, sind an den Platten 10 Abdeckungen 44 befestigt, die aus einem Aluminiumblech bestehen. Die Platten 10 sitzen im Presssitz auf den Rohren 43, wobei eine Distanzierung der einzelnen Platten 10 durch beispielsweise Distanzringe erreicht werden kann, die auf das Rohr 43 aufgeschoben werden, was jedoch exemplarisch nicht in den Figuren dargestellt ist. Die Luft strömt bei dieser Anordnung entlang der Platten 10 sowie der Mantelfläche des Rohres 43 und gibt gleichzeitig Wärme ab. Die in den PCM-Platten 10 gespeicherte Wärme wird an das im Rohr 43 strömende Fluid abgegeben, wodurch eine Kühlung der über die PCM-Platten 10 strömenden Luft erreicht wird. Das Rohr 43 mit den PCM-Platten 10 kann so ausgebildet sein, dass die Strömungsrichtung der Luft quer zu dem Rohr 43 verläuft. Es ist jedoch ebenfalls denkbar, dass die Luft längs zu dem Rohr 43 strömt. Ferner ist die vorliegende Erfindung auf diverse Vorrichtungen zu beziehen, die beispielsweise im Gleichstrom, Kreuzstrom oder Gegenstrom arbeiten.

Figur 9 zeigt eine PCM-Halterung 50, die mit einem Kanal 46 ausgebildet ist, der im Querschnitt eine recheckige Form hat. In diesem Kanal 46 wird ein Fluid geführt, welches beispielsweise Wasser sein kann. An einem Ende der PCM-Halterung 50 ist ein Rohranschluss 51 angeordnet, durch diesen das Wasser in den Kanal 46 geleitet wird.

Seitlich weist die PCM-Halterung 50 Aufnahmevorrichtungen 47 auf, in denen PCM-Platten 10 gehalten werden. Bei dieser Ausführungsform sind

die Aufnahmevorrichtungen 47 in ihrem Querschnitt u-förmig ausgebildet. Die PCM-Platten 10 sind zweiseitig eingespannt, wobei die Seitenkanten in den Aufnahmevorrichtungen 47 gehalten werden. Es ist jedoch ebenfalls möglich die PCM-Platten 10 in einer anderen Ausgestaltung einseitig in der Aufnahmevorrichtung 47 zu befestigen. Die PCM-Platten 10 können seitlich in die Aufnahmevorrichtungen 47 hineingeschoben werden, wodurch sich der Montageaufwand gering halten lässt.

Der Kanal 46 ist an einer Seite mit einer der Aufnahmevorrichtung 47 zugewandten Wandung 49 ausgebildet, durch diese der Wärmestrom in das Fluid geleitet wird. Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel die Halterung 50 aus Aluminium besteht, kann eine gute Wärmeübertragung erzielt werden. Des Weiteren ist zur Erhöhung der Wärmeübertragung zwischen der jeweiligen PCM-Platte 50 und der Aufnahmevorrichtung 47 beziehungsweise der zugewandten Kanalwandung 49 eine Wärmeleitpaste 48 angeordnet.

In Figur 10 wird eine weitere Alternative einer PCM-Halterung 50 dargestellt, die einen im Querschnitt u-förmigen Kanal 46 aufweist, in dem ein elastischer Schlauch 53 geführt ist. Eine PCM-Platte 10 steht im direkten Kontakt mit dem Schlauch 53, die durch eine Anpresskraft unmittelbar die Schlauchwandung berührt. Hierbei kann der Schlauch 53 ohne weiteres ein wenig verformt werden, wodurch eine größere Kontaktfläche zwischen dem Schlauch 53 und der PCM-Platte 10 erreicht wird. Die PCM-Platte 10 liegt direkt an den beiden u-förmigen Enden des offenen Kanals 46 an, so dass der Kanal 46 in diesem Ausführungsbeispiel gleichzeitig als Aufnahmevorrichtung 47 dient.

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.

BEZUGSZEICH EN LISTE

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

43 Übertragungseinheit, Rohr

44 Abdeckung

46 Kanal

47 Aufnahmevorrichtung

48 Wärmeleitpaste

49 Wandung

50 PCM-Halterung

51 Rohranschluss

52 Bohrung

53 Schlauch L1.L2 Längsachse

Claims

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.

20. PCM-Element (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das PCM-Element (10) die Form eines Quaders aufweist.

21. PCM-Element (10) nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass das PCM-Element (10) mit einer Bohrung (52) ausgebildet ist, in der eine ein Fluid führende Übertragungseinheit (43) einführbar ist.

22. PCM-Element (10) nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinheit (43) aus Metall oder aus Kunststoff besteht.

23. PCM-Element (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinheit (43) eine Querschnittsfläche aufweist, die kreisförmig oder elliptisch ist oder das die Übertragungseinheit (43) als Flachrohr ausgestaltet ist.

24. PCM-Element (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Abdeckung (44) auf dem PCM- Element (10) angeordnet ist, die aus einem wärmeleitenden Material besteht.

25. PCM-Element (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Übertragungseinheit (43) als Rohr ausgebildet ist, das mit dem PCM-Element (10) im Presssitz verbunden ist.

26. PCM-Halterung (50) für ein PCM-Element (10), dadurch gekennzeichnet, dass die PCM-Halterung (50) einen Kanal (46), in denen ein Fluid führbar ist, und mindestens eine Aufnahmevorrichtung (47) aufweist, in die das PCM-Element (10) zumindest zum Teil einführbar ist.

27. PCM-Halterung (50) nach Anspruch 26, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (46) eine Querschnittsfläche aufweist, die kreisförmig, ellipsenförmig, rechteckig oder u-förmig ausgebildet ist.

28. PCM-Halterung (50) nach Anspruch 26 oder 27, dadurch gekennzeichnet, dass die PCM-Halterung (50) als Strangpressprofil ausgebildet ist.

29. PCM-Halterung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PCM-Halterung (50) aus Aluminium besteht.

30. PCM-Halterung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die PCM-Halterung (50) eine Wärmeleitpaste (48) aufweist, die zwischen dem PCM-Element (10) und der Aufnahmevorrichtung (47) angeordnet ist.

31. PCM-Halterung (50) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kanal (46) ein Rohr oder einen Schlauch (53) aufweist, die in einem direkten Kontakt mit dem PCM- Element (10) stehen.