IT201900013161A1

IT201900013161A1 - Miscela di cere pcm come elemento di accumulo del calore latente in macchine elettriche

Info

Publication number: IT201900013161A1
Application number: IT102019000013161A
Authority: IT
Inventors: Simone Pennati; Edoardo Carlo Redaelli; Pasquale Forte; Elisabetta Gariboldi; Maurizio Vedani
Original assignee: Eldor Corp Spa; Milano Politecnico
Priority date: 2019-07-29
Filing date: 2019-07-29
Publication date: 2021-01-29
Also published as: EP4004140A1; CN114391213A; WO2021019438A1; US20220263369A1

Description

DESCRIZIONE

Annessa a domanda di brevetto per INVENZIONE INDUSTRIALE avente per titolo

“MISCELA DI CERE PCM COME ELEMENTO DI ACCUMULO DEL

CALORE LATENTE IN MACCHINE ELETTRICHE”

CAMPO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione ha per oggetto l’uso di una composizione comprendente una miscela di almeno due cere appartenenti alla classe dei materiali a cambiamento di fase (PCM Phase Change Material) come elemento di accumulo del calore latente in una macchina elettrica, preferibilmente ad uso automotive, un metodo per la realizzazione di un involucro refrigerante cavo contenente detta composizione e un metodo per il raffreddamento di detta macchina elettrica che comprende l’utilizzo di detto involucro refrigerante cavo.

BACKGROUND DELL’INVENZIONE

Negli ultimi anni, nel settore della mobilità, in particolare della mobilità sostenibile ad uso automotive, si è fatta sempre più sentire la necessità di mettere a disposizione veicoli elettrici ad alte prestazioni.

L’esigenza di ottenere alte prestazioni produce stress elevati per le unità di trazione elettriche dei veicoli in quanto, in tali applicazioni, i motori elettrici sono generalmente soggetti a squilibri prestazionali, che comportano un andamento molto irregolare dei profili di temperatura delle macchine, andamento questo caratterizzato da rapidi transitori sia in riscaldamento che in raffreddamento.

Pertanto, in questo caso, anche i motori elettrici richiedono l’adozione di appositi sistemi ed impianti di raffreddamento per l’accumulo dell’eccesso di calore sviluppato che, ferme restando le ovvie differenze di temperatura in gioco, richiamano quelli utilizzati per i motori a combustione interna (motori endotermici).

Nel settore, vi è pertanto una crescente richiesta di mettere a disposizione sistemi che permettano di gestire l’andamento irregolare dei profili di temperatura nei veicoli elettrici ad alte prestazioni ed evitare così cali di performance, malfunzionamenti o guasti.

Ad esempio, sono noti sistemi in cui un involucro metallico, tipicamente in alluminio, è disposto attorno allo statore della macchina elettrica e percorso al proprio interno da un condotto di raffreddamento a liquido. Tale sistema di raffreddamento a liquido è certamente funzionale per motori endotermici, per i quali i transitori di temperatura sono usualmente molto lenti, ma risulta poco adatto alla regolazione della temperatura di una macchina elettrica, per esempio in applicazioni automotive ad alte prestazioni, in cui i transitori di temperatura, come detto, sono generalmente brevi e molto rapidi e caratterizzati da picchi e sbalzi importanti.

Inoltre, la predisposizione di canalizzazioni che circolano liquido refrigerante attorno ad una macchina elettrica porta con sé problematiche di ingombri, di sicurezza e di consumi/emissioni, ragion per cui il mercato ne richiede una sempre maggiore limitazione.

Sono state pertanto studiate soluzioni alternative che possano permettere un efficace accumulo di calore (accumulo termico) e, pertanto una buona regolazione della temperatura, risultando al contempo compatibili con le caratteristiche meccaniche richieste dai motori elettrici.

Tra le principali tipologie di accumulo di calore – sensibile, latente e termochimico – l’accumulo di calore latente risulta essere particolarmente interessante per la sua capacità di fornire un'alta densità di immagazzinamento a condizioni quasi isoterme.

L’immagazzinamento di calore latente è basato sul calore assorbito o rilasciato quando un materiale subisce un cambiamento di fase da solido a liquido o da liquido a gas (e viceversa), senza significative variazioni della temperatura, ovvero quasi isotermicamente. Tale materiale viene comunemente definito materiale a cambiamento di fase (PCM – Phase Change Material). I PCM sono sostanze organiche o inorganiche, di origine naturale o di sintesi, che vengono generalmente utilizzate per accumulare e/o rilasciare energia termica durante il passaggio di fase dallo stato solido a quello liquido e viceversa, sfruttando quindi non solo la loro capacità termica sensibile, ma anche quella latente.

I PCM si dividono sostanzialmente in tre famiglie: metalli, come ad esempio cesio, indio o gallio, sali inorganici, come cloruro di calcio esaidrato, cloruro di magnesio esaidrato, nitrato di potassio, o composti organici, di cui fanno parte gli acidi grassi e le cere paraffiniche.

I più utilizzati nel caso di macchine (elettriche o meno), sono i materiali a cambiamento di fase organici, in particolare le cere paraffiniche, in quanto le altre tipologie non risultano essere adatte, rispettivamente, a causa di un peso molecolare troppo elevato e quindi elevate temperature di attivazione (metalli), e a causa della scarsa stabilità e compatibilità con i materiali normalmente utilizzati nel settore (sali inorganici).

Le cere paraffiniche PCM presentano molti vantaggi, legati principalmente alla loro elevata stabilità, alla bassa densità, alla compatibilità con i materiali normalmente impiegati per la realizzazione di macchine (elettriche e non) nonché al loro costo contenuto. Uno svantaggio importante è invece rappresentato dalla loro bassa conduttività termica nonché dai problemi connessi con la viscosità di tali materiali nella fase liquida che possono causare perdite e difficoltà quando contenute all’interno di dispositivi meccanici. Un altro svantaggio connesso all’utilizzo di cere PCM è relativo al comportamento di tali materiali a lungo termine, ossia dopo un certo numero di cicli di solidificazione e fusione che in molti casi ne compromettono la performance.

Un’altra enorme difficoltà sta nel riuscire ad incrociare la zona di transizione della sostanza PCM impiegata con l’intervallo operativo di temperatura del sistema in oggetto che non solo può essere differente a seconda delle varie tipologie di macchine ma, anche per una stessa macchina, può variare in corso di utilizzo.

Nonostante ciò, questi materiali risultano essere interessanti e promettenti per le più svariate applicazioni tecnologiche in quanto non solo sono capaci di immagazzinare efficacemente energia termica, ma anche perché durante il passaggio di fase, che avviene in uno specifico intervallo di temperatura, permettono di mantenere la temperatura del sistema costante.

In particolare, le proprietà di immagazzinamento e gestione termica hanno attirato molto interesse specialmente nei sistemi di riscaldamento e refrigerazione di veicoli dove viene sfruttato l'elevato calore latente dei PCM e il loro intervallo di temperatura stabile durante l'avanzamento del cambiamento di fase.

Come descritto nel brevetto WO2016153959, sono note applicazioni di materiali PCM per il riscaldamento o pre-riscaldamento di ambienti interni di veicoli (con motori a combustione interna). In questo caso, durante un precedente ciclo di azionamento del motore, viene sfruttato l’immagazzinamento da parte dei PCM di energia termica che viene poi rilasciata e trasferita al sistema di condizionamento del veicolo permettendo di riscaldare il veicolo stesso a motore spento, quindi senza consumo di carburante. Analogamente, come descritto in US 2013/0283827, le capacità di accumulo di energia termica dei PCM sono sfruttate anche per il meccanismo inverso, ovvero per l’implementazione di sistemi di aria condizionata e raffreddamento di veicoli a motore spento. Per quanto riguarda invece soluzioni per il raffreddamento di macchine elettriche mediante l’impiego di materiali PCM ad integrazione dei classici sistemi di raffreddamento a liquido, vi sono, specialmente nel campo automotive, ancora pochi esempi.

Dai lavori di J.-X. Wang et al. (“Experimental investigation of the thermal control effects of phase change material based packaging strategy for onboard permanent magnet synchronous motors”, Energy Conversion and Management, 123 (2016), 232-242 and “Conception and experimental investigation of hybrid temperature control method using phase change material for permanent magnet synchronous motors”, Experimental Thermal and Fluid Science, 81 (2017), 9-29), sono noti ad esempio applicazioni di una cera paraffinica PCM per il raffreddamento e il controllo della temperatura in motori sincroni a magneti permanenti (PMSMs) di aerei MEA (More Electric Aircraft) o AEA (All Electric Aircraft), ovvero velivoli in cui vi è una parziale o totale elettrificazione dei servizi di bordo a sostituzione dei classici sistemi idraulici, meccanici o pneumatici.

In questo caso tuttavia, non solo il motore elettrico descritto da J.-X. Wang et al. è necessariamente diverso rispetto a quello di un motore elettrico di trazione di macchine ad alte prestazioni, sia per quanto riguarda l’intensità dei picchi di potenza dissipati che la cinetica degli stessi, ma la cera paraffinica impiegata presenta una temperatura di attivazione (e quindi di utilizzo) ristretta ad un singolo valore di temperatura di fusione e quindi non adatta per un’efficace gestione della temperatura nelle condizioni operative di una macchina elettrica ad alte prestazioni.

Rimane pertanto nel settore delle macchine elettriche, preferibilmente automotive, la necessità di mettere a disposizione un sistema di raffreddamento che, impiegando PCM a totale o parziale integrazione dei sistemi di raffreddamento a liquido tradizionali, possa permettere di smorzare picchi di potenza variabili in intensità e durata anche in corso di utilizzo (caratteristici ad esempio di motori elettrici automotive durante stili e condizioni di guida differenti) e che abbia un ampio intervallo di temperature di attivazione per poter essere efficace in un vasto intervallo di temperature di esercizio senza andare incontro a perdite, disgregazione del materiale o abbassamento di performance dopo più cicli di utilizzo. La presente invenzione, risolve gli inconvenienti dell’arte nota sopra citati, mettendo a disposizione una composizione comprendente una miscela di cere PCM come elemento di accumulo del calore latente che, grazie alla presenza di almeno due cere differenti con differenti temperature di fusione, permette un’efficiente controllo dei transitori di temperatura in un ampio intervallo consentendo di raffreddare efficacemente motori di veicoli elettrici e migliorare la stabilità del sistema con performance elevate anche dopo più cicli e in grado di ottimizzare il controllo della temperatura in funzione delle differenti condizioni operative del motore.

Scopo della presente invenzione è inoltre quello di mettere a disposizione un metodo per la realizzazione di un involucro refrigerante cavo contenente una composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM come elemento di accumulo del calore latente altamente efficiente nella gestione dei transitori di temperatura e un metodo per il raffreddamento di una macchina elettrica, preferibilmente automotive, che comprende l’utilizzo di tale involucro refrigerante cavo.

SOMMARIO DELL’INVENZIONE

La presente invenzione riguarda l’uso di una composizione comprendente una miscela di almeno due cere appartenenti alla classe dei materiali a cambiamento di fase (cere PCM) con differenti temperature di fusione, come elemento di accumulo del calore latente in una macchina elettrica, preferibilmente ad uso automotive.

Tale composizione è caratterizzata dal possedere un ampio intervallo di temperatura di fusione compreso tra 60 e 120 °C, preferibilmente tra 70 e 105 °C.

La composizione per uso secondo la presente invenzione comprende una miscela di almeno due cere PCM scelte nel gruppo costituito da:

- una cera con una temperatura di fusione compresa tra 60 e 75 °C, preferibilmente intorno a 70 °C (“cera 1”),

- una cera con una temperatura di fusione compresa tra 76 e 85 °C, preferibilmente intorno a 80 °C (“cera 2”),

- una cera con una temperatura di fusione compresa tra 86 e 102 °C, preferibilmente intorno a 100 °C (“cera 3”),

- una cera con una temperatura di fusione compresa tra 103 e 120 °C, preferibilmente intorno a 105 °C (“cera 4”),

e loro combinazioni.

In particolare, la composizione per uso secondo la presente invenzione può comprendere una miscela di due, tre o quattro delle suddette cere, e può essere utilizzata come elemento di accumulo del calore latente in un intervallo di temperatura ampio, definito dalle temperature di fusione delle cere impiegate.

In una forma di realizzazione, la composizione per uso secondo la presente invenzione è contenuta all’interno di un involucro refrigerante cavo 1 di una macchina elettrica 100, preferibilmente per uso automotive, detto involucro comprendente un corpo cavo 2 e una cavità 6.

La presente invenzione riguarda anche un metodo per la realizzazione di un involucro refrigerante cavo contenente una composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM, detto metodo comprendente le fasi di:

(i) realizzare una composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM con differenti temperature di fusione, caratterizzata dal possedere un intervallo di temperatura di fusione compreso tra 60 e 120 °C, preferibilmente tra 70 e 105 °C;

(ii) scaldare detta composizione al di sopra dell’estremo superiore di detto intervallo di temperatura ottenendo così la composizione interamente allo stato fuso;

(iii) introdurre la composizione ottenuta al passaggio (ii) ancora allo stato fuso in un involucro refrigerante cavo 1 riempiendo così la cavità 6 di detto involucro.

La presente invenzione riguarda infine anche un metodo per il raffreddamento di una macchina elettrica, preferibilmente ad uso automotive, che comprende le fasi di:

(a) predisporre una macchina elettrica 100 comprendente uno statore 101 provvisto di un avvolgimento, un rotore 102 girevolmente associato a detto statore e un involucro refrigerante cavo 1 contenente una composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM preparato secondo il metodo precedentemente descritto;

(b) attivare detta macchina elettrica fornendo corrente all’avvolgimento.

BREVE DESCRIZIONE DELLE FIGURE

In Figura 1 è mostrata una vista in prospettiva di un involucro refrigerante 1 per una macchina elettrica 100 provvisto di una cavità 6 contenente la composizione per uso secondo la presente invenzione.

In Figura 2 è mostrata una vista in prospettiva di una macchina elettrica 100 provvista di un involucro refrigerante 1 provvisto di una cavità 6 contenente la composizione per uso secondo la presente invenzione.

In Figura 3 sono riportati i grafici relativi alle singole cere PCM (riportate in Tabella I, esempio 1), ottenuti mediante tecnica calorimetrica differenziale a scansione (DSC - Differential Scanning Calorimetry) dopo uno o due cicli di riscaldamento.

In Figura 4 sono riportati i grafici relativi alle miscele di almeno due cere PCM (riportate in Tabella II, esempio 2), ottenuti mediante tecnica calorimetrica differenziale a scansione (DSC – Differential Scanning Calorimetry) dopo uno o due cicli di riscaldamento.

In Figura 5 è riportato il profilo di temperatura ottenuto sottoponendo ad un ciclo termico un contenitore di metallo, riempito o meno con la miscela 1 di cere PCM come descritta nell’esempio 2.

In Figura 6 è riportato il profilo di temperatura ottenuto sottoponendo ad un ciclo termico un contenitore di metallo, riempito o meno con la miscela 2 di cere PCM come descritta nell’esempio 2.

In Figura 7 è riportato il profilo di temperatura ottenuto sottoponendo ad un ciclo termico un contenitore di metallo, riempito o meno con la miscela 3 di cere PCM come descritta nell’esempio 2.

In Figura 8 è riportato il profilo di temperatura ottenuto sottoponendo ad un ciclo termico un contenitore di metallo, riempito o meno con la miscela 4 di cere PCM come descritta nell’esempio 2.

In Figura 9 è riportato il profilo di temperatura ottenuto sottoponendo ad un ciclo termico un contenitore di metallo, riempito o meno con la miscela 5 di cere PCM come descritta nell’esempio 2.

In Figura 10 sono riportati a confronto i profili di temperatura ottenuti sottoponendo ad un ciclo termico un contenitore di metallo, riempito o meno con le miscele 1-5 di cere PCM come descritte nell’esempio 2.

DESCRIZIONE DETTAGLIATA DELL’INVENZIONE

Ai fini della presente invenzione, i termini “cera paraffinica”, “paraffina” o idrocarburi paraffinici” sono utilizzati come sinonimi perfettamente interscambiabili e stanno ad indicare una classe di idrocarburi alifatici saturi (n-alcani) di formula generale CnH2n+2, il cui numero di atomi di carbonio è superiore a 20. Esempi di cere paraffiniche sono le cere di Fischer-Tropsch, ovvero una miscela di idrocarburi alifatici saturi prodotta mediante la sintesi di Fischer-Tropsch la quale prevede la polimerizzazione dell'ossido di carbonio in condizioni di temperatura compresa tra 170 e 220 °C e di pressione compresa tra 1 e 10 atmosfere. Con i termini “cera” o “cera PCM”, usati come sinonimi perfettamente interscambiabili, si intendono cere definite come in precedenza, appartenenti alla classe dei materiali a cambiamento di fase (PCMs – Phase Change Materials)”.

Con il termine “materiale a cambiamento di fase (PCM – Phase Change Material)” si intende nel presente contesto definire un materiale accumulatore di calore latente, in particolar modo una cera, che sfrutta il fenomeno della transizione di fase per assorbire i flussi energetici entranti, immagazzinando un’elevata quantità di energia e mantenendo sostanzialmente costante la propria temperatura.

I termini “temperatura di fusione” e “temperatura di attivazione”, riferiti alle cere PCM, sono utilizzati, ai fini della presente invenzione, come sinonimi perfettamente interscambiabili.

Con il termine “involucro refrigerante” non si intende, nel presente contesto, riferirsi a valori di temperatura assoluti dell’involucro, quanto piuttosto si intende definire un involucro con capacità di contrastare innalzamenti di temperatura di una macchina elettrica, mantenendo la sua temperatura ai valori ottimali per l’esercizio.

Ai fini della presente invenzione, i termini “stato fuso”, “fuso” e “liquefatto” sono usati come sinonimi interscambiabili con il significato di “portato allo stato liquido tramite calore”.

La presente invenzione riguarda l’uso di una composizione comprendente una miscela di almeno due cere appartenenti alla classe dei materiali a cambiamento di fase (cere PCM) come elemento di accumulo del calore latente in una macchina elettrica, preferibilmente ad uso automotive.

Tale composizione permette vantaggiosamente di assorbire repentine variazioni di temperatura esterne, mantenendo sostanzialmente inalterata la temperatura globale del sistema. Detta composizione svolge in modo efficace la funzione di elemento di accumulo del calore latente in quanto permette di assorbire il calore rilasciato da una fonte esterna senza aumentare la sua temperatura interna sopra quella di attivazione, ovvero in modo sostanzialmente isotermico.

Ai fini della realizzazione della composizione per uso secondo la presente invenzione come elemento di accumulo del calore, è possibile combinare cere diverse, ovvero con due diverse temperature di fusione, a seconda dell’intervallo di temperatura nel quale si desidera che la miscela sia attiva, ovvero che assorba calore.

La composizione per uso secondo la presente invenzione è preferibilmente allo stato solido a temperatura ambiente, ma quando questa sale e supera una certa soglia di transizione, la composizione si liquefa accumulando calore (latente di liquefazione) che viene sottratto alla macchina elettrica. Allo stesso modo, quando la temperatura scende, la composizione liquefatta si solidifica e cede calore (latente di solidificazione).

La composizione per uso come elemento di accumulo del calore latente secondo la presente invenzione comprende una miscela di almeno due cere PCM con differenti temperature di fusione. Detta composizione possiede pertanto un ampio intervallo di temperatura di fusione.

Detto intervallo di temperature di fusione è compreso tra 60 e 120 °C, preferibilmente tra 70 e 105 °C.

In una forma di realizzazione dell’invenzione, la composizione comprende una miscela di almeno due cere PCM aventi differenti temperature di fusione che sono scelte nel gruppo costituito da:

e loro combinazioni.

Preferibilmente, dette cere sono scelte nel gruppo costituito da:

- una cera composta da idrocarburi paraffinici a catena lineare con numero di atomi di carbonio compreso tra 20 e 50 e con una temperatura di fusione compresa tra 60 e 75 °C, preferibilmente intorno a 70 °C (“cera 1”);

- una cera Fischer-Tropsch completamente idrogenata composta da catene idrocarburiche prevalentemente lineari, con un peso molecolare medio compreso tra 500 e 700 Dalton e con una temperatura di fusione compresa tra 76 e 85 °C, preferibilmente intorno a 80 °C (“cera 2”);

- una cera Fischer-Tropsch completamente idrogenata composta da catene idrocarburiche prevalentemente lineari, con un peso molecolare medio compreso tra 800 e 1000 Dalton e con una temperatura di fusione compresa tra 86 e 102 °C, preferibilmente intorno a 100 °C (“cera 3”);

- una cera composta da una miscela multicomponente di n-alcani saturi prodotti dalla sintesi Fischer-Tropsch con peso molecolare medio compreso tra 1000 e 1200 Dalton e con una temperatura di fusione compresa tra 103 e 120 °C, preferibilmente intorno a 105 °C (“cera 4”).

In una forma di realizzazione dell’invenzione, la composizione è una “composizione a due cere” comprendente una miscela di due delle cere PCM sopraelencate.

Detta composizione a due cere può essere pertanto vantaggiosamente utilizzata come elemento di accumulo del calore latente in un intervallo di temperatura ampio, definito dalle temperature di fusione delle cere impiegate.

Ad esempio, nel caso in cui la composizione comprenda una miscela della “cera 1” con la “cera 2” detta composizione potrà essere utilizzata come elemento di accumulo del calore latente in un intervallo di temperatura compreso tra 60 e 85 °C, preferibilmente compreso tra circa 70 e circa 80 °C, e così analogamente per le altre combinazioni possibili.

In una forma di realizzazione preferita, la composizione comprende una miscela della “cera 2” con la “cera 3”. Detta composizione può essere pertanto vantaggiosamente utilizzata come elemento di accumulo del calore latente in un intervallo di temperatura compreso tra 76 e 102 °C, preferibilmente tra circa 80 e circa 100 °C.

In un’altra forma di realizzazione preferita, la composizione comprende una miscela della “cera 2” con la “cera 4”. Detta composizione può essere pertanto vantaggiosamente utilizzata come elemento di accumulo del calore latente in un intervallo di temperatura compreso tra 76 e 120 °C, preferibilmente tra circa 80 e circa105 °C.

Preferibilmente, la composizione a due cere per uso secondo la presente invenzione, comprende una cera in quantità compresa tra il 40 al 60% in peso, preferibilmente tra il 45 e il 55% in peso, e l’altra cera in quantità complementare compresa tra il 40 e il 60% in peso, preferibilmente tra il 45 e il 55% in peso.

In una forma di realizzazione dell’invenzione la composizione è una “composizione a tre cere” comprendente una miscela di tre delle cere PCM sopraelencate.

Detta composizione a tre cere può essere pertanto vantaggiosamente utilizzata come elemento di accumulo del calore latente in un intervallo di temperatura ampio, definito dalle temperature di fusione delle cere impiegate.

Ad esempio, nel caso in cui la composizione comprenda una miscela della “cera 1”, della “cera 2” e della “cera 3”, detta composizione potrà essere utilizzata come elemento di accumulo del calore latente in un intervallo di temperatura compreso tra 60 e 102 °C, preferibilmente tra circa 70 e circa 100 °C, e così analogamente per le altre combinazioni possibili.

In una forma di realizzazione preferita, la composizione comprende una miscela della “cera 2”, della “cera 3” e della “cera 4”. Detta composizione può essere pertanto vantaggiosamente utilizzata come elemento di accumulo del calore latente in un intervallo di temperatura compreso tra 76 e 120 °C, preferibilmente tra circa 80 e circa 105 °C.

Preferibilmente, la composizione a tre cere per uso secondo la presente invenzione, comprende una cera in quantità compresa tra il 20 e il 60% in peso, preferibilmente tra il 30 e il 50% in peso, e le altre due cere in quantità complementari, ovvero una cera in quantità compresa tra il 20 e il 60% in peso, preferibilmente tra il 20 e il 40% in peso e l’altra cera in quantità compresa tra il 20 e il 60% in peso, preferibilmente tra il 20 e il 40% in peso.

In una forma di realizzazione dell’invenzione la composizione è una “composizione a quattro cere” comprendente una miscela di tutte e quattro le cere PCM sopraelencate.

Detta composizione a quattro cere può essere pertanto vantaggiosamente utilizzata come elemento di accumulo del calore latente in un intervallo di temperatura ampio, definito dalle temperature di fusione delle cere impiegate.

In questo caso, detta composizione a quattro cere potrà essere utilizzata come elemento di accumulo del calore latente in un intervallo di temperatura compreso tra 60 e 120 °C, preferibilmente tra circa 70 e circa 105 °C.

In una forma di realizzazione preferita, la composizione dell’invenzione comprende dal 40 al 60% in peso, preferibilmente dal 45 al 55% in peso di una miscela della “cera 2” con la “cera 4” e dal 40 al 60% in peso, preferibilmente dal 45 al 55% in peso di una miscela della “cera 1” con “la cera 3”. Detta composizione comprende pertanto la cera 1 in quantità compresa tra il 10 e il 30% in peso, preferibilmente tra il 15 e il 25% in peso, la cera 2 in quantità compresa tra il 15 e il 35% in peso, preferibilmente tra il 20 e il 30% in peso, la cera 3 in quantità compresa tra il 20 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 25 e il 35% in peso e la cera 4 in quantità compresa tra il 15 e il 35% in peso, preferibilmente tra il 20 e il 30% in peso.

In un’altra forma di realizzazione preferita, la composizione dell’invenzione comprende dal 40 al 60% in peso, preferibilmente dal 45 al 55% in peso di una miscela della “cera 1” con la “cera 2” e dal 40 al 60% in peso, preferibilmente dal 45 al 55% in peso di una miscela della “cera 3” con “la cera 4”. Detta composizione comprende pertanto la cera 1 in quantità compresa tra il 10 e il 30% in peso, preferibilmente tra il 15 e il 25% in peso, la cera 2 in quantità compresa tra il 20 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 25 e il 35% in peso, la cera 3 in quantità compresa tra il 20 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 25 e il 35% in peso e la cera 4 in quantità compresa tra il 10 e il 30% in peso, preferibilmente tra il 15 e il 25% in peso.

Preferibilmente, la composizione a quattro cere per uso secondo la presente invenzione, comprende una prima cera in quantità compresa tra il 10 e il 40% in peso, preferibilmente tra 15 e 35% in peso, e le altre tre cere in quantità complementari, ovvero una cera in quantità compresa tra il 10 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 15 e il 35% in peso, un’altra cera in quantità compresa tra il 10 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 15 e il 35% in peso e l’ulteriore cera in quantità compresa tra il 10 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 15 e il 35% in peso.

In una forma di realizzazione, la composizione per uso secondo la presente invenzione come elemento di accumulo del calore latente in una macchina elettrica, preferibilmente per uso automotive, è contenuta all’interno di un involucro refrigerante cavo 1.

Preferibilmente, detto involucro comprende un corpo cavo 2 sviluppantesi attorno ad un proprio asse centrale A e provvisto di una parete radialmente interna 3, delimitante un volume di accoglimento 5 di una macchina elettrica 100, e di una parete radialmente esterna 4.

In altre parole, il corpo cavo presenta preferibilmente conformazione almeno in parte tubolare attorno all’asse centrale, delimitando un volume centrale di accoglimento della macchina elettrica.

Preferibilmente, inoltre, tra la parete radialmente interna e la parete radialmente esterna è delimitata una cavità 6.

Pertanto, lo spessore del corpo cavo tra le due pareti non è completamente “pieno”, ma presenta uno o più porzioni vuote rappresentata almeno in parte da detta cavità.

Secondo un aspetto dell’invenzione, la composizione per uso come elemento di accumulo del calore latente è contenuta e distribuita in modo uniforme all’interno di detta cavità dell’involucro refrigerante.

Preferibilmente detta composizione è contenuta in detta cavità in un quantitativo prefissato.

Vantaggiosamente, la composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM con temperature di fusione differenti, si interfaccia con il motore elettrico di una macchina elettrica 100, preferibilmente ad uso automotive, comprendente uno statore 101 provvisto di un avvolgimento, all’interno del quale gira coassialmente un rotore 102 associato allo statore e un involucro refrigerante come descritto in precedenza in cui lo statore è alloggiato all’interno del volume di accoglimento 5 del corpo cavo 2.

In particolare, la composizione contenuta all’interno della cavità 6 si interfaccia con lo statore, assorbendo e rilasciando calore senza impattare sulla temperatura dell’involucro stesso e dunque della macchina elettrica. Preferibilmente, l’involucro refrigerante 1 e in particolare il corpo cavo 2 sono realizzati in materiale metallico, preferibilmente alluminio. Altri materiali utilizzabili per la realizzazione dell’involucro refrigerante sono ad esempio leghe di alluminio, metalli e leghe la cui conduttività termica sia maggiore o uguale a 90W/mK.

L’utilizzo della composizione come precedentemente descritta come elemento di accumulo del calore latente in macchine elettriche permette di mantenere la temperatura del motore elettrico della macchina entro limiti accettabili riducendo il flusso e la portata dei liquidi di raffreddamento tradizionali eventualmente presenti o addirittura permettendo di eliminare del tutto i sistemi di raffreddamento a liquido tradizionali.

Un vantaggio relativo all’uso della composizione secondo la presente invenzione è che, a differenza di utilizzare un solo tipo di cera PCM, la quale avrà una temperatura di attivazione precisa (ovvero rappresentata da un picco di fusione “a triangolo”), l’utilizzo di una miscela di almeno due cere PCM con differenti temperature di fusione, permette di ampliare l’intervallo in cui avviene il passaggio di fase, in cui la miscela assorbe il calore latente del sistema (si veda il confronto tra la Figura 3 e 4).

Il fatto che la forma del picco di fusione sia “quadrangolare” invece che a “triangolo”, fa sì che dette miscele siano vantaggiosamente attive in modo continuo in un intervallo di temperatura, a differenza dell’utilizzo di una singola cera, la quale presenta transitori di temperatura localizzati.

Un altro vantaggio relativo all’utilizzo della composizione come elemento di accumulo del calore latente è quello che, combinando almeno due delle cere PCM con temperature di attivazione diverse come descritte in precedenza, è possibile, nell’intervallo di temperatura di esercizio di una macchina elettrica, avere a disposizione una parte di miscela allo stato solido che mantenga un livello di viscosità consono al suo uso all’interno di dispositivi meccanici, come ad esempio un involucro refrigerante, anche nel caso in cui una o più delle altre cere nella miscela siano completamente fuse.

Poiché la viscosità della composizione per uso secondo la presente invenzione dipende dalla tipologia delle almeno due cere in miscela e dalle loro concentrazioni relative (quantità %), a seconda dei differenti profili termici da gestire, la composizione per uso secondo la presente invenzione potrà quindi essere modificata miscelando le differenti tipologie di cere PCM nelle differenti quantità secondo quanto descritto in precedenza. Questo permette vantaggiosamente di limitare o addirittura evitare del tutto fenomeni segregativi della miscela e/o perdite di materiale mantenendo così la distribuzione originaria ed omogenea della composizione. La composizione per uso secondo la presente invenzione presenta pertanto un’elevata stabilità e permette di ottenere performance elevate anche dopo più cicli termici.

La presente invenzione riguarda anche un metodo per la produzione di un involucro refrigerante cavo contenente una composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM, detto metodo comprendente le fasi di:

(i) realizzare una composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM con differenti temperature di fusione come elemento di accumulo del calore latente, detta composizione essendo caratterizzata dal possedere un intervallo di temperatura di fusione compreso tra 60 e 120 °C, preferibilmente tra 70 e 105 °C;

(ii) scaldare detta composizione al di sopra dell’estremo superiore di detto intervallo di temperatura di fusione, preferibilmente ad una temperatura compresa tra 80 e 160 °C, ancora più preferibilmente tra 100 e 140 °C, ottenendo così la composizione interamente allo stato fuso;

(iii) introdurre la composizione ottenuta al passaggio (ii) ancora allo stato fuso in un involucro refrigerante cavo 1 come precedentemente descritto riempiendo così la cavità 6 di detto involucro.

Detto involucro refrigerante cavo è come descritto in precedenza ed è quindi un involucro refrigerante di una macchina elettrica, preferibilmente ad uso automotive.

Detta composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM è come definita in precedenza.

La presente invenzione riguarda anche un metodo per il raffreddamento di una macchina elettrica, preferibilmente ad uso automotive, che comprende le fasi di:

(a) predisporre una macchina elettrica 100 comprendente uno statore 101 provvisto di un avvolgimento, un rotore 102 girevolmente associato a detto statore, detto statore essendo alloggiato all’interno del volume di accoglimento 5 del corpo cavo 2 di un involucro refrigerante cavo 1 contenente una composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM preparato secondo le fasi (i)-(iii) del metodo precedentemente descritto;

(b) attivare detta macchina elettrica fornendo corrente all’avvolgimento.

Il metodo per il raffreddamento di una macchina elettrica, preferibilmente ad uso automotive, secondo la presente invenzione, grazie alla presenza di un elemento di accumulo del calore latente (ovvero la composizione come precedentemente descritta) all’interno del corpo dell’involucro, permette nel complesso di rallentare i rapidi transitori di temperatura a cui vanno incontro i motori elettrici, in particolare in applicazioni automotive, permettendo di mantenere il più possibile la temperatura del sistema nell’intorno di valori ottimali per il funzionamento della macchina elettrica, preferibilmente per il pilotaggio in differenti condizioni e stili di guida.

In una forma di realizzazione preferita, il metodo di raffreddamento di una macchina elettrica, preferibilmente ad uso automotive, secondo la presente invenzione comprende un’ulteriore fase (a.1) di mettere a disposizione nell’involucro refrigerante 1 come precedentemente descritto, anche un circuito di raffreddamento 12 a fluido, preferibilmente a liquido, complementare alla cavità 6.

Vantaggiosamente, in tal modo vengono ottimizzate le prestazioni dell’involucro refrigerante, massimizzando sia i vantaggi nell’utilizzo di una composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM per uso come elemento di accumulo del calore latente, che quelli di un sistema di raffreddamento a liquido.

I due sistemi di raffreddamento sono tra loro complementari e integrati e lavorano puntualmente su zone condivise dello statore 101, massimizzando così le prestazioni della macchina elettrica.

Questa forma di realizzazione del metodo per il raffreddamento di una macchina elettrica secondo la presente invenzione, grazie alla presenza di una cavità nell’involucro refrigerante riempita con un elemento di accumulo del calore latente (ovvero la composizione come precedentemente descritta) complementarmente ad un circuito di raffreddamento a fluido, consente di ottimizzare la risposta del sistema anche in fase di raffreddamento.

ESEMPI

1. Scelta e caratterizzazione DSC delle singole cere PCM

Le caratteristiche delle cere utilizzate nei seguenti esempi realizzativi sono schematicamente riportate nella seguente tabella (Tabella I).

Tabella I

Tali cere sono state caratterizzate mediante la tecnica di calorimetria differenziale a scansione (DSC – Differential Scanning Calorimetry) con la quale è possibile determinare le temperature di inizio e fine di ogni transizione (fusione in riscaldamento e solidificazione in raffreddamento). In Figura 3 sono riportati i grafici relativi alla caratterizzazione DSC su campioni delle singole cere, durante il primo ciclo di riscaldamento/raffreddamento e durante il secondo ciclo di riscaldamento/raffreddamento. È importante osservare come la forma delle curve riportate in figura cambi leggermente dal primo al secondo ciclo solo per la fase di fusione, mentre i due grafici risultano identici se si considera la sola fase di risolidificazione. Questo è dovuto a riarrangiamenti interni che avvengono durante il primo ciclo di riscaldamento.

2. Scelta e caratterizzazione DSC delle composizioni comprendenti miscele di almeno due cere PCM

Le caratteristiche delle miscele utilizzate secondo una forma di realizzazione della presente invenzione sono schematicamente riportate nella seguente tabella (Tabella II).

Tabella II

Le varie miscele di cere impiegate (miscela 1, miscela 2, miscela 3, miscela 4 e miscela 5) sono state caratterizzate mediante la tecnica di calorimetria differenziale a scansione (DSC – Differential Scanning Calorimetry) per poter determinare le temperature di attivazione di ciascuna miscela e osservare la modifica dei picchi nell’intervallo di temperature di interesse, ovvero tra 60 e 120 °C.

In Figura 4 sono riportati i grafici relativi alla caratterizzazione DSC su campioni di tali miscele di almeno due cere PCM, durante il primo ciclo di riscaldamento/raffreddamento e durante il secondo ciclo di riscaldamento/raffreddamento. Anche in questo caso, come per i campioni di cere singole, la forma delle curve riportate in figura cambia leggermente dal primo al secondo ciclo solo per la fase di fusione, mentre i due grafici risultano identici se si considera la sola fase di risolidificazione. Tuttavia, andando a confrontare le due Figure (3 e 4) è possibile apprezzare come, nel caso delle miscele di almeno due cere, la forma delle curve sia più quadrangolare rispetto alla forma più “a triangolo” nel caso delle cere singole. Questo indica come le miscele di almeno due cere PCM, siano sempre attive nello specifico intervallo, a differenza delle cere singole, le quali presentano transizioni molto più localizzate in temperatura.

3. Esempio applicativo

Nelle Figure 5-10 sono riportati i profili di temperatura ottenuti sottoponendo ad un ciclo termico un contenitore di metallo, riempito o meno con le varie miscele di cere PCM descritte nell’esempio esempio 2. Tale contenitore di metallo può essere preso come modello per studiare il comportamento e la risposta termica di un involucro refrigerante come precedentemente descritto in condizioni di esercizio che simulano quelle presenti in macchine elettriche, preferibilmente per uso automotive.

Dalle curve riportate nelle figure 5–10 è possibile apprezzare come le miscele di cere PCM, grazie alla loro capacità di accumulare calore latente in modo quasi isotermico in un intervallo di temperature, permettano al contenitore di assorbire calore, senza impattare al contempo sulla temperatura del contenitore stesso.

È possibile inoltre osservare che, usando miscele di cere PCM con temperature di attivazione differenti, il profilo di temperatura varia in modo diverso in dipendenza delle concentrazioni relative (quantità % delle almeno due cere che compongono ciascuna miscela) e delle temperature di fusione caratteristiche di ciascuna cera (riportate in Tabella I e II), rendendo possibile la scelta della miscela più adatta al profilo termico da gestire.

Claims

RIVENDICAZIONI 1. Uso di una composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM con differenti temperature di fusione come elemento di accumulo del calore latente in macchine elettriche, preferibilmente ad uso automotive, detta composizione essendo caratterizzata dal possedere un intervallo di temperatura di fusione compreso tra 60 e 120 °C.
2. Uso secondo la rivendicazione 1 in cui detto intervallo di temperatura di fusione è compreso tra 70 e 105 °C.
3. Uso secondo la rivendicazione 1 o 2 in cui detta composizione comprende una miscela di almeno due cere PCM con differenti temperature di fusione scelte nel gruppo costituito da: - una cera con una temperatura di fusione compresa tra 60 e 75 °C, preferibilmente intorno a 70 °C (“cera 1”), - una cera con una temperatura di fusione compresa tra 76 e 85 °C, preferibilmente intorno a 80 °C (“cera 2), - una cera con una temperatura di fusione compresa tra 86 e 102 °C, preferibilmente intorno a 100 °C (“cera 3”), - una cera con una temperatura di fusione compresa tra 103 e 120 °C, preferibilmente intorno a 105 °C (“cera 4”), e loro combinazioni.
4. Uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti in cui dette cere sono scelte nel gruppo costituito da: - cera composta da idrocarburi paraffinici a catena lineare con numero di atomi di carbonio compreso tra 20 e 50 e con una temperatura di fusione compresa tra 60 e 75 °C, preferibilmente intorno a 70 °C (“cera 1”); - cera Fischer-Tropsch completamente idrogenata composta da catene idrocarburiche prevalentemente lineari, con un peso molecolare medio compreso tra 500 e 700 Dalton e con una temperatura di fusione compresa tra 76 e 85 °C, preferibilmente intorno a 80 °C (“cera 2”); - cera Fischer-Tropsch completamente idrogenata composta da catene idrocarburiche prevalentemente lineari, con un peso molecolare medio compreso tra 800 e 1000 Dalton e con una temperatura di fusione compresa tra 86 e 102 °C, preferibilmente intorno a 100 °C (“cera 3”); - cera composta da una miscela multicomponente di n-alcani saturi prodotti dalla sintesi Fischer-Tropsch con peso molecolare medio compreso tra 1000 e 1200 Dalton e con una temperatura di fusione compresa tra 103 e 120 °C, preferibilmente intorno a 105 °C (“cera 4”).
5. Uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, in cui detta composizione è una “composizione a due cere” comprendente una miscela di due cere PCM con differenti temperature di fusione.
6. Uso secondo la rivendicazione 5 in cui detta composizione comprende una miscela della “cera 2” con la “cera 3” o della “cera 2” con la “cera 4”, detta composizione essendo caratterizzata dal possedere un intervallo di temperatura di fusione compreso tra 76 e 102 °C, preferibilmente tra circa 80 e circa 100 °C, oppure tra 76 e 120 °C, preferibilmente tra circa 80 e circa 105 °C.
7. Uso secondo la rivendicazione 5 o 6 in cui detta composizione comprende una cera in quantità compresa tra il 40 e il 60% in peso, preferibilmente tra il 45 e il 55% in peso, e l’altra cera in quantità complementare compresa tra il 40 e il 60% in peso, preferibilmente tra il 45 e il 55% in peso.
8. Uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, in cui detta composizione è una “composizione a tre cere” comprendente una miscela di tre cere PCM con differenti temperature di fusione.
9. Uso secondo la rivendicazione 8 in cui detta composizione comprende una miscela della “cera 2”, della “cera 3” e della “cera 4”, detta composizione essendo caratterizzata dal possedere un intervallo di temperatura di fusione compreso tra 76 e 120 °C, preferibilmente tra intorno 80 e intorno 105 °C.
10. Uso secondo la rivendicazione 8 o 9 in cui detta composizione comprende una cera in quantità compresa tra il 20 e il 60% in peso, preferibilmente tra 30 e 50% in peso, e le altre due cere in quantità complementari, essendo una cera in quantità compresa tra il 20 e il 60% in peso, preferibilmente tra il 20 e il 40% in peso e l’altra cera in quantità compresa tra il 20 e il 60% in peso, preferibilmente tra il 20 e il 40% in peso.
11. Uso secondo una qualsiasi delle rivendicazioni 1-4, in cui detta composizione è una “composizione a quattro cere” comprendente una miscela di quattro cere PCM con differenti temperature di fusione.
12. Uso secondo la rivendicazione 11 in cui detta composizione comprende una miscela della “cera 1”, della “cera 2”, della “cera 3” e della “cera 4”, detta composizione essendo caratterizzata dal possedere un intervallo di temperatura di fusione compreso tra 60 e 120 °C, preferibilmente tra intorno 70 e intorno 105 °C.
13. Uso secondo la rivendicazione 11 o 12 in cui detta composizione comprende una prima cera in quantità compresa tra il 10 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 15 e il 35% in peso, e le altre tre cere in quantità complementari, essendo una cera in quantità compresa tra il 10 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 15 e il 35% in peso, un’altra cera in quantità compresa tra il 10 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 15 e il 35% in peso e l’ulteriore cera in quantità compresa tra il 10 e il 40% in peso, preferibilmente tra il 15 e il 35% in peso.
14. Uso secondo una qualsiasi delle precedenti rivendicazioni in cui detta composizione è contenuta all’interno di un involucro refrigerante cavo per una macchina elettrica, preferibilmente per uso automotive, comprendente: - un corpo cavo 2 sviluppatesi attorno ad un proprio asse centrale A e provvisto di una parete radialmente interna 3, delimitante un volume di accoglimento 5 di una macchina elettrica 100, e di una parete radialmente esterna 4; - una cavità 6 delimitata tra detta parete radialmente interna 3 e detta parete radialmente esterna 4.
15. Metodo per la produzione di un involucro refrigerante cavo 1 contenente una composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM, detto metodo comprendente le fasi di: (i) realizzare una composizione comprendente una miscela di almeno due cere PCM con differenti temperature di fusione come elemento di accumulo del calore latente, detta composizione essendo caratterizzata dal possedere un intervallo di temperatura di fusione compreso tra 60 e 120 °C, preferibilmente tra 70 e 105 °C; (ii) scaldare la composizione al di sopra dell’estremo superiore di detto intervallo di temperatura di fusione, preferibilmente ad una temperatura compresa tra 80 e 160 °C, ancora più preferibilmente tra 100 e 140 °C, ottenendo così la composizione interamente allo stato fuso; (iii) introdurre la composizione ottenuta al passaggio (ii) ancora allo stato fuso in un involucro refrigerante cavo 1, detto involucro comprendente un corpo cavo 2 sviluppatesi attorno ad un proprio asse centrale A e provvisto di una parete radialmente interna 3, delimitante un volume di accoglimento 5, e di una parete radialmente esterna 4, ulteriormente comprendente una cavità 6 delimitata tra detta parete radialmente interna 3 e detta parete radialmente esterna 4, detta composizione essendo introdotta all’interno di detta cavità 6.
16. Metodo per il raffreddamento di una macchina elettrica, preferibilmente ad uso automotive, che comprende le fasi di: (a) predisporre una macchina elettrica 100 comprendente uno statore 101 provvisto di un avvolgimento, un rotore 102 girevolmente associato a detto statore, detto statore essendo alloggiato all’interno del volume di accoglimento 5 del corpo cavo 2 di un involucro refrigerante cavo 1 ottenuto secondo la rivendicazione 15; (b) attivare detta macchina elettrica fornendo corrente all’avvolgimento.
17. Metodo secondo la rivendicazione 16 ulteriormente comprendente la fase (a.1) di mettere a disposizione in detto involucro refrigerante cavo un circuito di raffreddamento 12 a fluido, preferibilmente a liquido, complementare alla cavità 6.