RU2620843C2 - Composite material for thermal energy storage device and method for producing of composite material for thermal energy storage device - Google Patents

Composite material for thermal energy storage device and method for producing of composite material for thermal energy storage device Download PDF

Info

Publication number
RU2620843C2
RU2620843C2 RU2015144589A RU2015144589A RU2620843C2 RU 2620843 C2 RU2620843 C2 RU 2620843C2 RU 2015144589 A RU2015144589 A RU 2015144589A RU 2015144589 A RU2015144589 A RU 2015144589A RU 2620843 C2 RU2620843 C2 RU 2620843C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
composite material
phase state
variable phase
crystallization centers
crystallization
Prior art date
Application number
RU2015144589A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2015144589A (en
Inventor
Йохен ШЕФЕР
Кристиан ЗАЙДЕЛЬ
Кристиан ТРИБЕЛЬ
Original Assignee
Сименс Акциенгезелльшафт
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Сименс Акциенгезелльшафт filed Critical Сименс Акциенгезелльшафт
Publication of RU2015144589A publication Critical patent/RU2015144589A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2620843C2 publication Critical patent/RU2620843C2/en

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C08—ORGANIC MACROMOLECULAR COMPOUNDS; THEIR PREPARATION OR CHEMICAL WORKING-UP; COMPOSITIONS BASED THEREON
    • C08F—MACROMOLECULAR COMPOUNDS OBTAINED BY REACTIONS ONLY INVOLVING CARBON-TO-CARBON UNSATURATED BONDS
    • C08F110/00—Homopolymers of unsaturated aliphatic hydrocarbons having only one carbon-to-carbon double bond
    • C08F110/02—Ethene
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C09—DYES; PAINTS; POLISHES; NATURAL RESINS; ADHESIVES; COMPOSITIONS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR; APPLICATIONS OF MATERIALS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • C09K—MATERIALS FOR MISCELLANEOUS APPLICATIONS, NOT PROVIDED FOR ELSEWHERE
    • C09K5/00—Heat-transfer, heat-exchange or heat-storage materials, e.g. refrigerants; Materials for the production of heat or cold by chemical reactions other than by combustion
    • C09K5/02—Materials undergoing a change of physical state when used
    • C09K5/06—Materials undergoing a change of physical state when used the change of state being from liquid to solid or vice versa
    • C09K5/063—Materials absorbing or liberating heat during crystallisation; Heat storage materials

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Polymers & Plastics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Thermal Sciences (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Compositions Of Macromolecular Compounds (AREA)
  • Extrusion Moulding Of Plastics Or The Like (AREA)

Abstract

FIELD: power industry.
SUBSTANCE: composite material comprises thermoplastic phase change material in which with predetermined spatial distribution crystallization nuclei are implemented. The phase change material is ultrahigh molecular weight polyethylene. The crystallization nuclei have higher softening temperature, in particular at least 50 °C higher softening temperature than the phase change material and/or crystallization nuclei have a higher thermal conductivity than the phase change material.
EFFECT: invention provides composite material for thermal energy storage device by means of which overcooling phenomenon can be reduced.
11 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к композиционному материалу для термического накопителя энергии, а также к способу получения такого композиционного материала для термического накопителя энергии.The invention relates to a composite material for a thermal energy storage device, as well as to a method for producing such a composite material for a thermal energy storage device.

Термические накопители энергии, которые выполнены как так называемые накопители скрытой теплоты, используют свойства материалов с изменяемым фазовом состоянием, скрытая теплота плавления, теплота растворения или теплота абсорбции которых существенно больше, чем теплота, которую они могут накоплять за счет своей нормальной удельной теплоемкости без эффекта фазового превращения. Примерами применения являются, например, греющие подушки, аккумуляторы холода или наполненные парафином накопительные элементы в танках гелиотермических установок.Thermal energy stores, which are made as the so-called latent heat stores, use the properties of materials with a variable phase state, the latent heat of fusion, the heat of dissolution or the heat of absorption of which is significantly greater than the heat that they can accumulate due to their normal specific heat without the phase effect transformations. Examples of applications are, for example, heating pillows, cold accumulators or paraffin-filled storage elements in tanks of solar thermal plants.

При разряжении термических накопителей энергии на основе материалов с изменяемым фазовым состоянием возможно возникновение нежелательного явления переохлаждения, известного под английским термином subcooling, из-за которого кристаллизация материала с изменяемым фазовым состоянием и, тем самым, отдача тепла начинается лишь явно ниже точки плавления материала с изменяемым фазовым состоянием. Вследствие этого отдача тепла осуществляется на относительно низком температурном уровне, который может быть невыгодным для применения в накопителе энергии.When thermal energy storage devices based on materials with a variable phase state are discharged, an undesirable supercooling phenomenon, known by the English term subcooling, may occur, due to which crystallization of a material with a variable phase state and, therefore, heat transfer begins only clearly below the melting point of a material with a variable phase state. As a result, heat transfer is carried out at a relatively low temperature level, which may be disadvantageous for use in an energy storage device.

Данная проблема существует также, например, в случае рассматриваемых здесь материалов с изменяемым фазовым состоянием, которые, несмотря на изменение фазового состояния с твердого на жидкое, проявляют относительно формоустойчивое поведение, как, например, ультравысокомолекулярный полиэтилен, который вследствие длин цепей своих молекул имеет такую вязкость, которая влечет за собой некоторую формоустойчивость также после изменения фазового состояния с твердого на жидкое.This problem also exists, for example, in the case of materials with a variable phase state considered here, which, despite changing the phase state from solid to liquid, exhibit relatively form-stable behavior, such as, for example, ultra-high molecular weight polyethylene, which has such a viscosity due to the length of the chains of its molecules , which entails some form stability even after the phase state changes from solid to liquid.

Поэтому задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы предоставить композиционный материал для термического накопителя энергии, а также способ получения такого композиционного материала, посредством которых может быть уменьшено явление переохлаждения.Therefore, it is an object of the present invention to provide a composite material for a thermal energy storage device as well as a method for producing such a composite material by which the phenomenon of subcooling can be reduced.

Данная задача решается композиционным материалом, а также способом получения такого композиционного материала с признаками независимых пунктов формулы изобретения. Обеспечивающие преимущество варианты осуществления с целесообразными и нетривиальными усовершенствованиями изобретения раскрыты в зависимых пунктах формулы изобретения.This problem is solved by a composite material, as well as by a method for producing such a composite material with features of the independent claims. Advantageous embodiments with reasonable and non-trivial improvements of the invention are disclosed in the dependent claims.

Композиционный материал по изобретению для термического накопителя энергии включает в себя термопластичный материал с изменяемым фазовым состоянием, в который с заданным пространственным распределением внедрены центры кристаллизации. Благодаря тому, что композиционный материал помимо термопластичного материала с изменяемым фазовым состоянием имеет центры кристаллизации, нежелательное явление переохлаждения может быть в значительной степени уменьшено, так как начинающееся на центрах кристаллизации затвердевание материала с изменяемым фазовым состоянием осуществляется по существу непосредственно после перехода ниже точки плавления материала с изменяемым фазовым состоянием. Сопутствуя затвердеванию или, соответственно, кристаллизации материала с изменяемым фазовым состоянием, тем самым также начинается по существу непосредственно с переходом ниже точки плавления материала с изменяемым фазовым состоянием отдача тепла, существенная для применения в термическом накопителе энергии. Тем самым отдача тепла может осуществляться на относительно высоком температурном уровне, что обеспечивает преимущество в плане применения композиционного материала в термическом накопителе энергии.The composite material of the invention for a thermal energy storage device includes a thermoplastic material with a variable phase state in which crystallization centers are embedded with a given spatial distribution. Due to the fact that the composite material, in addition to a thermoplastic material with a variable phase state, has crystallization centers, the undesirable phenomenon of supercooling can be significantly reduced, since the solidification of a material with a variable phase state that begins at the crystallization centers occurs essentially immediately after the transition below the melting point of the material with variable phase state. Along with the solidification or, accordingly, crystallization of a material with a variable phase state, this also begins essentially directly with a transition below the melting point of a material with a variable phase state, heat transfer, which is essential for use in a thermal energy storage device. Thus, heat transfer can be carried out at a relatively high temperature level, which provides an advantage in terms of the use of composite material in a thermal energy storage device.

В предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что материал с изменяемым фазовым состоянием представляет собой ультравысокомолекулярный полиэтилен. Это влечет за собой то преимущество, что благодаря длинам цепей молекул материала с изменяемым фазовым состоянием при изменении фазового состояния с твердого на жидкое материал с изменяемым фазовым состоянием и тем самым композиционный материал в целом имеет такую вязкость, что все еще имеется некоторая формоустойчивость композиционного материала. Предпочтительно, материал с изменяемым фазовым состоянием имеет выше своей температуры плавления нулевую вязкость, составляющую по меньшей мере одну килопаскаль-секунду, предпочтительно одну мегапаскаль-секунду.In a preferred embodiment of the invention, it is provided that the material with a variable phase state is an ultra-high molecular weight polyethylene. This entails the advantage that due to the chain lengths of the molecules of the material with a variable phase state when the phase state changes from solid to liquid material with a variable phase state, and thus the composite material as a whole has such a viscosity that there is still some form stability of the composite material. Preferably, the material with a variable phase state has above its melting point a zero viscosity of at least one kilopascal second, preferably one megapascal second.

В дополнительном предпочтительном варианте осуществления изобретения предусмотрено, что центры кристаллизации имеют более высокую температуру размягчения, в частности по меньшей мере на 50°C более высокую температуру размягчения, чем материал с изменяемым фазовым состоянием. Благодаря этому можно гарантировать, что центры кристаллизации не влияют на термический цикл композиционного материала, так как из-за повышенной точки плавления центры кристаллизации в ходе обычного диапазона используемых температур композиционного материала являются как геометрически, так и механически стабильными и, кроме того, также предпочтительно не вступают в химические реакции с материалом с изменяемым фазовым состоянием. При этом температура плавления материала с изменяемым фазовым состоянием предпочтительно составляет приблизительно 130°C, но также может колебаться в зависимости от композиции материал с изменяемым фазовым состоянием в диапазоне примерно от 100°C до 170°C.In a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the crystallization centers have a higher softening temperature, in particular at least 50 ° C, a higher softening temperature than the material with a variable phase state. Due to this, it is possible to guarantee that the crystallization centers do not affect the thermal cycle of the composite material, since due to the increased melting point, the crystallization centers during the usual range of temperatures of the composite material are both geometrically and mechanically stable and, in addition, it is also preferably not enter into chemical reactions with a material with a variable phase state. The melting temperature of the material with a variable phase state is preferably approximately 130 ° C, but may also vary depending on the composition of the material with a variable phase state in the range from about 100 ° C to 170 ° C.

Дополнительный предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает, что центры кристаллизации имеют более высокую теплопроводность, чем материал с изменяемым фазовым состоянием. Благодаря этому может быть достигнуто повышение эффективной теплопроводности композиционного материала в целом, что может положительно сказываться на поглощении энергии и отдаче энергии при применении в термическом накопителе энергии.An additional preferred embodiment of the invention provides that the crystallization centers have a higher thermal conductivity than the material with a variable phase state. Due to this, an increase in the effective thermal conductivity of the composite material as a whole can be achieved, which can have a positive effect on energy absorption and energy transfer when applied to a thermal energy storage device.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления изобретения предусмотрено, что центры кристаллизации представляют собой выполненные в волокнистой форме материалы из углерода, как, например, из углеродных волокон, углеродных нанотрубок (англ. carbon nanotubes) и тому подобное, выполненные в пластинчатой форме материалы, например, из талька, графита или слоистых силикатов, и/или материалы, выполненные в форме как микро-, так и наноразмерных сфер, как, например, нитрид бора, оксид кремния или сажа.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the crystallization centers are carbon fiber materials, such as carbon fibers, carbon nanotubes, and the like, plate materials, for example talc, graphite or layered silicates, and / or materials made in the form of both micro- and nanoscale spheres, such as, for example, boron nitride, silicon oxide or carbon black.

Дополнительный предпочтительный вариант осуществления изобретения предусматривает, что посредством центров кристаллизации в композиционном материале сформирован по меньшей мере один заданный канал теплоотвода, который имеет по меньшей мере в одном направлении более высокую теплопроводность, чем остальной композиционный материал. Другими словами, может быть сформирована анизотропная теплопроводность композиционного материала, так что, например, в одном предпочтительном направлении может осуществляться особенно хорошее поглощение тепла, а также особенно хорошая отдача тепла, так что при применении в термическом накопителе энергии может обеспечиваться возможность соответствующего приспособления композиционного материала к соответственно существующим краевым условиям. Альтернативно, однако, также возможно, что центры кристаллизации размещены в композиционном материале таким образом, что он имеет по меньшей мере по существу изотропную теплопроводность. В данном случае центры кристаллизации распределены в композиционном материале предпочтительно по существу равномерно.An additional preferred embodiment of the invention provides that through crystallization centers in the composite material at least one predetermined heat sink channel is formed, which has at least one direction higher thermal conductivity than the rest of the composite material. In other words, anisotropic thermal conductivity of the composite material can be formed, so that, for example, in one preferred direction, particularly good heat absorption can be achieved, as well as particularly good heat transfer, so that when applied to a thermal energy storage device, it may be possible to suitably adapt the composite material to according to existing boundary conditions. Alternatively, however, it is also possible that the crystallization centers are located in the composite material so that it has at least substantially isotropic thermal conductivity. In this case, the crystallization centers are distributed in the composite material preferably substantially uniformly.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления изобретения предусмотрено, что число центров кристаллизации уменьшается от расположенных снаружи краевых областей композиционного материала к расположенным внутри областям композиционного материала. Тем самым расположенные снаружи краевые области, через которые обычно осуществляется подведение тепла, а также отведение тепла композиционного материала при применении в термическом накопителе энергии, могут особенно хорошо поглощать и отдавать тепловую энергию. Благодаря концентрации центров кристаллизации, уменьшающейся от расположенных снаружи краевых областей к расположенным внутри областям композиционного материала, может быть достигнут особенно быстрый отклик композиционного материала при переходе выше или переходе ниже температуры плавления материала с изменяемым фазовым состоянием.According to a further preferred embodiment of the invention, it is provided that the number of crystallization centers decreases from the outer edge regions of the composite material to the inner regions of the composite material. Thus, the edge regions located outside, through which heat input is usually carried out, as well as heat removal of the composite material when used in a thermal energy storage device, can especially absorb and give off thermal energy. Due to the concentration of crystallization centers, decreasing from the outer edge regions located to the inner regions of the composite material, a particularly fast response of the composite material can be achieved when going above or below the melting temperature of a material with a variable phase state.

В предлагаемом в изобретении способе получения композиционного материала для термического накопителя энергии термопластический материал с изменяемым фазовым состоянием смешивают с центрами кристаллизации в смесь, из которой впоследствии формируют композиционный материал. При этом предпочтительные варианты осуществления предлагаемого в изобретении композиционного материала следует рассматривать как предпочтительные варианты осуществления способа.In the inventive method for producing a composite material for a thermal energy storage device, a thermoplastic material with a variable phase state is mixed with crystallization centers into a mixture from which the composite material is subsequently formed. In this case, preferred embodiments of the inventive composite material should be considered as preferred embodiments of the method.

Согласно предпочтительному варианту осуществления способа по изобретению предусмотрено, что центры кристаллизации и термопластический материал с изменяемым фазовым состоянием смешивают друг с другом в порошкообразном состоянии. Благодаря этому может осуществляться особенно хорошее и простое промешивание центров кристаллизации с материалом с изменяемым фазовым состоянием.According to a preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that the crystallization centers and the thermoplastic material with a variable phase state are mixed with each other in a powder state. Due to this, a particularly good and simple mixing of the crystallization centers with a material with a variable phase state can be achieved.

Согласно дополнительному предпочтительному варианту осуществления способа по изобретению предусмотрено, что материал с изменяемым фазовым состоянием перед смешением с центрами кристаллизации смешивают с растворителем, в частности с органическим растворителем, и после смешения материала с изменяемым фазовым состоянием с центрами кристаллизации растворитель удаляют из смеси. В данном способе следует отметить отличающееся особой гомогенностью распределение частиц наполнителя, то есть центров кристаллизации, и материала с изменяемым фазовым состоянием, а также возможность формования литьевым способом.According to a further preferred embodiment of the method according to the invention, it is provided that the material with a variable phase state is mixed with a solvent, in particular an organic solvent, before mixing with the crystallization centers, and after mixing the material with a variable phase state with crystallization centers, the solvent is removed from the mixture. In this method, it should be noted that the distribution of filler particles, that is, crystallization centers, and material with a variable phase state, which is distinguished by special homogeneity, as well as the possibility of injection molding.

Дополнительный предпочтительный вариант осуществления способа предусматривает, что для получения композиционного материала смесь экструдируют или прессуют, в частности формуют горячим прессованием. В зависимости от вязкости применяемого материала с изменяемым фазовым состоянием напрашивается один или предпочтительнее другой способ. Если вязкость используемого материала с изменяемым фазовым состоянием остается не слишком высокой выше его температуры плавления, в частности в диапазоне от 1000 до 10000 паскаль-секунд, композиционный материал с желаемым качеством может быть получен посредством экструзии. При вязкости материала с изменяемым фазовым состоянием более 10000 паскаль-секунд для получения композиционного материала напрашивается, в частности, способ горячего прессования, так как продвижение смеси посредством экструзии может быть реализовано лишь с трудом или вовсе невозможно.An additional preferred embodiment of the method provides that, to obtain a composite material, the mixture is extruded or pressed, in particular hot-formed. Depending on the viscosity of the material with a variable phase state used, one or more preferably another method arises. If the viscosity of the material with a variable phase state remains not too high above its melting point, in particular in the range from 1000 to 10000 pascal seconds, a composite material with the desired quality can be obtained by extrusion. With a viscosity of a material with a variable phase state of more than 10,000 pascal seconds, a hot pressing method is suggested, in particular, as the pressing of a mixture by extrusion can only be difficult or impossible.

Если смесь подвергают прессованию, в частности горячему прессованию, тогда предпочтительно ее вакуумируют в ходе процесса прессования, чтобы при необходимости уменьшить или отрегулировать пористость формованного изделия.If the mixture is pressed, in particular hot pressed, then it is preferably evacuated during the pressing process in order to reduce or adjust the porosity of the molded product, if necessary.

Дополнительные преимущества, признаки и подробности изобретения следуют из нижеследующего описания предпочтительного примера осуществления, а также из чертежей. Вышеназванные в описании признаки и сочетания признаков, а также названные ниже в описании фигур и/или показанные только на фигурах признаки и сочетания признаков применимы не только в соответствующем указанном сочетании, но и в единственности, не выходя за рамки изобретения.Additional advantages, features and details of the invention result from the following description of a preferred embodiment, as well as from the drawings. The above-mentioned features and combinations of features, as well as the features and combinations of features mentioned below in the description of figures and / or shown only in the figures, are applicable not only in the corresponding indicated combination, but also in uniqueness, without going beyond the scope of the invention.

Примеры осуществления изобретения подробнее пояснены ниже с помощью схематичных чертежей.Examples of carrying out the invention are explained in more detail below using schematic drawings.

На них изображены:They depict:

на Фиг.1 - схематичное представление композиционного материала для термического накопителя энергии, который изготовлен из термопластичного материала с изменяемым фазовым состоянием, в который внедрено множество центров кристаллизации; иfigure 1 is a schematic representation of a composite material for a thermal energy storage device, which is made of a thermoplastic material with a variable phase state, in which many crystallization centers are embedded; and

на Фиг.2 - схематичное представление экструзионного способа получения композиционного материала.figure 2 is a schematic representation of an extrusion method for producing a composite material.

В совокупности обозначенный позицией 10 композиционный материал для не показанного здесь термического накопителя энергии показан в схематичном представлении на Фиг.1. Композиционный материал включает в себя термопластичный материал 12 с изменяемым фазовым состоянием, в который внедрено множество центров 14 кристаллизации, причем только часть центров 14 кристаллизации снабжена ссылочной позицией.Taken together, the composite material indicated at 10 for a thermal energy storage device not shown here is shown in a schematic representation in FIG. 1. The composite material includes a thermoplastic material 12 with a variable phase state, in which a plurality of crystallization centers 14 are embedded, and only a part of the crystallization centers 14 is provided with a reference position.

Касательно материала 12 с изменяемым фазовым состоянием, речь идет об ультравысокомолекулярном полиэтилене, который имеет среднюю молярную массу вплоть до 6000 кг/моль и плотность от 0,89 до 0,98 г/см3. При этом материал 12 с изменяемым фазовым состоянием имеет выше своей точки плавления нулевую вязкость, составляющую по меньшей мере одну килопаскаль-секунду, предпочтительно одну мегапаскаль-секунду. Температура плавления термопластичного материала с изменяемым фазовым состоянием составляет приблизительно 130°C, причем в зависимости от композиции материала 12 с изменяемым фазовым состоянием температуры плавления могут находиться также в диапазоне приблизительно от 100°C до 170°C.Regarding the material 12 with a variable phase state, we are talking about ultra-high molecular weight polyethylene, which has an average molar mass up to 6000 kg / mol and a density of from 0.89 to 0.98 g / cm 3 . In this case, the material 12 with a variable phase state has above its melting point a zero viscosity of at least one kilopascal second, preferably one megapascal second. The melting temperature of the thermoplastic material with a variable phase state is approximately 130 ° C, and depending on the composition of the material 12 with a variable phase state, the melting temperature can also be in the range from about 100 ° C to 170 ° C.

Центры 14 кристаллизации могут быть сформированы, например, из волокнистых материалов, состоящих из углерода (например, из углеродных волокон, углеродных нанотрубок и так далее), из пластинчатых материалов, таких как тальк, графит и слоистые силикаты, или из сферических материалов как микро-, так и наноразмера, таких как нитрид бора, оксид кремния и сажа.Crystallization centers 14 may be formed, for example, from fibrous materials consisting of carbon (e.g., carbon fibers, carbon nanotubes, etc.), from plate materials such as talc, graphite and layered silicates, or from spherical materials such as micro and nanoscale, such as boron nitride, silicon oxide and soot.

При этом центры 14 кристаллизации предпочтительно имеют более высокую температуру размягчения, чем материал 12 с изменяемым фазовым состоянием. Температура размягчения центров 14 кристаллизации может лежать, например, приблизительно на 50°C выше температуры плавления материала 12 с изменяемым фазовым состоянием, так что в пределах обычно предусматриваемых температур применения композиционного материала 10 в термическом накопителе энергии центры 14 кристаллизации не плавятся и, тем самым, остаются стабильными механически, а также геометрически и также ведут себя инертно по отношению к материалу 12 с изменяемым фазовым состоянием.Moreover, the crystallization centers 14 preferably have a higher softening temperature than the material 12 with a variable phase state. The softening temperature of the crystallization centers 14 may lie, for example, approximately 50 ° C higher than the melting temperature of the material with a variable phase state, so that within the generally envisaged temperatures of application of the composite material 10 in the thermal energy storage, the crystallization centers 14 do not melt and, therefore, remain mechanically and geometrically stable and also behave inertly with respect to the material 12 with a variable phase state.

Центры 14 кристаллизации также предпочтительно имеют более высокую теплопроводность, чем материал 12 с изменяемым фазовым состоянием. Благодаря этому может быть достигнуто повышение эффективной теплопроводности всего композиционного материала 10.The crystallization centers 14 also preferably have a higher thermal conductivity than the variable phase state material 12. Due to this, an increase in the effective thermal conductivity of the entire composite material 10 can be achieved.

Как здесь представлено, центры 14 кристаллизации могут быть размещены по существу равномерно в композиционном материале 10, соответственно в материале 12 с изменяемым фазовым состоянием, служащем в качестве матричного материала. При таком равномерном распределении центров 14 кристаллизации результатом обычно являются изотропные теплопроводные характеристики композиционного материала 10.As presented here, the crystallization centers 14 can be arranged substantially uniformly in the composite material 10, respectively, in the variable-phase material 12 serving as a matrix material. With such a uniform distribution of the crystallization centers 14, the result is usually the isotropic heat-conducting characteristics of the composite material 10.

В зависимости от краевых условий центры 14 кристаллизации в отличие от показанного здесь представления также могут быть размещены неравномерно в композиционном материале 10. Например, возможно, что число центров 14 кристаллизации уменьшается вовнутрь от расположенной снаружи краевой области, которая схематично отделена пунктирной линией 16 от расположенной внутри области композиционного материала 10. Другими словами, также возможно, что центры 14 кристаллизации в расположенных снаружи областях композиционного материала 10 размещены с большей концентрацией, чем в расположенных внутри областях композиционного материала 10. Благодаря этому можно надлежащим образом отрегулировать характеристики теплопоглощения и теплоотдачи композиционного материала 10.Depending on the boundary conditions, the crystallization centers 14, in contrast to the representation shown here, can also be placed unevenly in the composite material 10. For example, it is possible that the number of crystallization centers 14 decreases inward from the outer edge region, which is schematically separated by a dashed line 16 from the inner areas of the composite material 10. In other words, it is also possible that the crystallization centers 14 in the externally located areas of the composite material 10 are placed with pain higher concentration than in the areas of the composite material located inside 10. Due to this, the characteristics of heat absorption and heat transfer of the composite material 10 can be properly adjusted.

В зависимости от краевых условий внутри композиционного материала 10 соответствующим размещением центров 14 кристаллизации может быть сформирован соответствующий заданный канал теплоотвода внутри композиционного материала 10. Например, предпочтительные направления для проведения тепла внутри композиционного материала 10 могут быть заданы в горизонтальном направлении x, в вертикальном направлении y или ортогонально к плоскости, образованной горизонтальным направлением x и вертикальным направлением y. Другими словами, композиционный материал 10 в данных случаях имеет по меньшей мере в одном направлении более высокую теплопроводность, чем остальной композиционный материал 10.Depending on the boundary conditions inside the composite material 10, by a corresponding arrangement of the crystallization centers 14, a corresponding predetermined heat sink channel inside the composite material 10 may be formed. For example, preferred directions for conducting heat inside the composite material 10 may be specified in the horizontal x direction, the vertical y direction, or orthogonal to the plane formed by the horizontal direction x and the vertical direction y. In other words, the composite material 10 in these cases has at least one direction higher thermal conductivity than the rest of the composite material 10.

Благодаря тому, что материал 12 с изменяемым фазовым состоянием, выше своей температуры плавления, имеет нулевую вязкость, составляющую по меньшей мере одну килопаскаль-секунду, предпочтительно одну мегапаскаль-секунду, после изменения фазового состояния с твердого на жидкое можно также гарантировать, что центры 14 кристаллизации по существу остаются на своем заданном месте внутри композиционного материала 10. Другими словами, следовательно, благодаря надлежаще высокой вязкости материала 12 с изменяемым фазовым состоянием также выше его температуры плавления предотвращается оседание или также суспендирование центров 14 кристаллизации. По причине стабильного к циклическим воздействиям пространственного размещения центров 14 кристаллизации материал 12 с изменяемым фазовым состоянием имеет кристаллизационные характеристики, воспроизводимые на протяжении многих термических циклов.Due to the fact that the material 12 with a variable phase state, above its melting point, has a zero viscosity of at least one kilopascal-second, preferably one megapascal-second, after changing the phase state from solid to liquid, it can also be guaranteed that the centers 14 crystallizations essentially remain at their intended place inside the composite material 10. In other words, therefore, due to the suitably high viscosity of the material 12 with a variable phase state is also higher than Melting Temperature preventing sedimentation or as suspending centers 14 crystallization. Due to the spatial distribution of crystallization centers 14, which is stable to cyclic influences, the material 12 with a variable phase state has crystallization characteristics reproduced over many thermal cycles.

На Фиг.2 в схематичной боковой проекции показан экструдер 18, посредством которого получают композиционный материал 10. Материал 12 с изменяемым фазовым состоянием, который порошкообразным подают в экструдер 18, представлен схематично изображенным с помощью кружков. Центры 14 кристаллизации и материал 12 с изменяемым фазовым состоянием подают в порошкообразном состоянии в загрузочную воронку 20. В загрузочной воронке 20 центры 14 кристаллизации и материал 12 с изменяемым фазовым состоянием смешиваются друг с другом с образованием смеси 22. При этом смешение или промешивание центров 14 кристаллизации и термопластичного материала 12 с изменяемым фазовым состоянием осуществляется таким образом, что центры 14 кристаллизации по возможности гомогенно распределяются в материале 12 с изменяемым фазовым состоянием.FIG. 2 shows a schematic side view of an extruder 18 by which a composite material 10 is obtained. The variable-phase material 12, which is pulverized, is fed into the extruder 18 and is represented schematically by circles. The crystallization centers 14 and the phase-changing material 12 are supplied in powder form to the loading funnel 20. In the charging funnel 20, the crystallization centers 14 and the phase-changing material 12 are mixed with each other to form a mixture 22. In this case, the crystallization centers 14 are mixed or mixed. and thermoplastic material 12 with a variable phase state is carried out in such a way that the crystallization centers 14 are distributed as homogeneously as possible in the material 12 with a variable phase state .

Через загрузочную воронку 20 смесь 22 подают к шнеку 24 экструдера 18, причем шнек 24 движется внутри цилиндра 26 экструдера 18. При этом цилиндр 26 по своей длине может быть, с одной стороны, нагрет, но также, с другой стороны, охлажден для того, чтобы проводить экструзию смеси 22, как того желают.Through the feeding funnel 20, the mixture 22 is fed to the screw 24 of the extruder 18, and the screw 24 moves inside the cylinder 26 of the extruder 18. Moreover, the cylinder 26 along its length can be heated, but also, on the other hand, cooled in order to in order to extrude the mixture 22 as desired.

Представленный здесь способ экструзии для получения композиционного материала 10 пригоден в особенности тогда, когда, с одной стороны, желательным является отличающееся особой гомогенностью размещение центров 14 кристаллизации в материале 12 с изменяемым фазовым состоянием и, с другой стороны, когда вязкость материала 12 с изменяемым фазовым состоянием должна быть не слишком высокой, в особенности находясь в диапазоне от 1000 до 10000 паскаль-секунд.The extrusion method presented here for the production of composite material 10 is particularly suitable when, on the one hand, the location of crystallization centers 14 in the variable phase state material 12 is particularly homogeneous, and on the other hand, when the viscosity of the material 12 is in a variable phase state should not be too high, especially being in the range from 1000 to 10000 pascal seconds.

Если материал 12 с изменяемым фазовым состоянием, который используют для получения композиционного материала 10, имеет относительно высокую вязкость, в особенности в области выше 10000 паскаль-секунд, вместо способа экструзии напрашивается предпочтительнее способ прессования, в особенности способ горячего прессования.If the material 12 with a variable phase state, which is used to obtain a composite material 10, has a relatively high viscosity, in particular in the region above 10,000 pascal seconds, instead of an extrusion method, a pressing method is preferred, in particular a hot pressing method.

В данном случае также материал 12 с изменяемым фазовым состоянием и центры 14 кристаллизации в порошкообразной форме сначала смешивают друг с другом с образованием смеси 22, а затем подают в подходящий пресс для получения композиционного материала. Для формирования разных областей внутри композиционного материала 10, которые, соответственно, имеют разные концентрации или количества центров 14 кристаллизации, могут быть получены, соответственно, разные смеси 22, и, например, такие области могут быть размещены или насыпаны внутри формы для горячего прессования с соответствующим формированием слоев.In this case, also, the material with a variable phase state and the crystallization centers 14 in powder form are first mixed with each other to form a mixture 22, and then served in a suitable press to obtain a composite material. To form different regions inside the composite material 10, which respectively have different concentrations or numbers of crystallization centers 14, different mixtures 22 can be obtained, respectively, and, for example, such regions can be placed or poured inside the hot pressing mold with the corresponding the formation of layers.

Альтернативно, для получения смеси 22 также возможно, что материал 12 с изменяемым фазовым состоянием перед смешением с центрами 14 кристаллизации сначала смешивают с растворителем, в особенности с органическим растворителем, например в форме 1,2,4-трихлорбензола, при температуре 135°C. Впоследствии осуществляется смешение материала 12 с изменяемым фазовым состоянием с центрами 14 кристаллизации, причем после смешения растворитель снова удаляют из полученной смеси 22. Затем смесь 22 в свою очередь может быть подана по выбору в проиллюстрированный способ экструзии или также в уже упомянутый способ прессования, соответственно горячего прессования.Alternatively, to obtain a mixture of 22, it is also possible that the material with a variable phase state before mixing with the crystallization centers 14 is first mixed with a solvent, in particular with an organic solvent, for example in the form of 1,2,4-trichlorobenzene, at a temperature of 135 ° C. Subsequently, the material 12 with a variable phase state is mixed with the crystallization centers 14, and after mixing, the solvent is again removed from the resulting mixture 22. Then, the mixture 22 can in turn be fed optionally to the illustrated extrusion method or also to the aforementioned pressing method, respectively hot pressing.

В случае способа прессования для получения композиционного материала 10 смесь 22 может быть вакуумирована в ходе процесса прессования настолько, чтобы композиционный материал 10 имел заданную пористость. Другими словами, например, внутри пресс-формы может быть осуществлено вакуумирование, чтобы отвести избыточный или нежелательный воздух из композиционного материала 10.In the case of the pressing method to obtain the composite material 10, the mixture 22 can be evacuated during the pressing process so that the composite material 10 has a given porosity. In other words, for example, evacuation can be carried out inside the mold to remove excess or unwanted air from the composite material 10.

Claims (29)

1. Композиционный материал для термического накопителя энергии, содержащий термопластичный материал (12) с изменяемым фазовым состоянием, в который с заданным пространственным распределением внедрены центры (14) кристаллизации, причем материал (12) с изменяемым фазовым состоянием представляет собой ультравысокомолекулярный полиэтилен, а центры (14) кристаллизации имеют более высокую температуру размягчения, в частности по меньшей мере на 50°С более высокую температуру размягчения, чем материал (12) с изменяемым фазовым состоянием, и/или центры (14) кристаллизации имеют более высокую теплопроводность, чем материал (12) с изменяемым фазовым состоянием.1. A composite material for a thermal energy storage device containing a thermoplastic material (12) with a variable phase state, into which crystallization centers (14) are embedded with a given spatial distribution, and the material (12) with a variable phase state is ultra-high molecular weight polyethylene, and the centers ( 14) crystallizations have a higher softening temperature, in particular at least 50 ° C, a higher softening temperature than the material (12) with a variable phase state, and / or center Crystallization s (14) have a higher thermal conductivity than material (12) with a variable phase state. 2. Композиционный материал (10) по п. 1,2. Composite material (10) according to claim 1, отличающийся тем, чтоcharacterized in that материал (12) с изменяемым фазовым состоянием выше своей температуры плавления имеет нулевую вязкость, составляющую по меньшей мере одну килопаскаль-секунду, предпочтительно одну мегапаскаль-секунду.material (12) with a variable phase state above its melting point has a zero viscosity of at least one kilopascal second, preferably one megapascal second. 3. Композиционный материал (10) по п. 1,3. Composite material (10) according to claim 1, отличающийся тем, чтоcharacterized in that центры (14) кристаллизации представляют собой волокнистые материалы из углерода, выполненные пластинчатыми материалы из талька, графита или слоистых силикатов и/или выполненные в форме микро- и/или наноразмерных сфер материалы из нитрида бора, оксида кремния или сажи.crystallization centers (14) are fibrous carbon materials, lamellar materials of talc, graphite or layered silicates and / or materials made of boron nitride, silicon oxide or soot made in the form of micro- and / or nanoscale spheres. 4. Композиционный материал (10) по п. 1,4. Composite material (10) according to claim 1, отличающийся тем, чтоcharacterized in that посредством центров (14) кристаллизации в композиционном материале (10) сформирован по меньшей мере один заданный канал теплоотвода, который имеет по меньшей мере в одном направлении более высокую теплопроводность, чем остальной композиционный материал (10).by means of crystallization centers (14) in the composite material (10), at least one predetermined heat sink channel is formed, which has at least one direction higher thermal conductivity than the rest of the composite material (10). 5. Композиционный материал (10) по одному из пп. 1-3,5. Composite material (10) according to one of paragraphs. 1-3, отличающийся тем, чтоcharacterized in that центры (14) кристаллизации распределены по существу равномерно в композиционном материале (10).crystallization centers (14) are distributed substantially uniformly in the composite material (10). 6. Композиционный материал (10) по одному из пп. 1-4,6. Composite material (10) according to one of paragraphs. 1-4, отличающийся тем, чтоcharacterized in that число центров (14) кристаллизации уменьшается от расположенных снаружи краевых областей композиционного материала (10) к расположенным внутри областям композиционного материала (10).the number of crystallization centers (14) decreases from the outer edge regions of the composite material (10) located to the inner regions of the composite material (10). 7. Способ получения композиционного материала (10) для термического накопителя энергии по любому из пп. 1-6, при котором термопластичный материал (12) с изменяемым фазовым состоянием смешивают с центрами (14) кристаллизации в смесь (22), из которой впоследствии формируют композиционный материал (10).7. A method of producing a composite material (10) for a thermal energy storage device according to any one of paragraphs. 1-6, in which the thermoplastic material (12) with a variable phase state is mixed with crystallization centers (14) into a mixture (22), from which composite material (10) is subsequently formed. 8. Способ по п. 7,8. The method according to p. 7, отличающийся тем, чтоcharacterized in that центры (14) кристаллизации и термопластичный материал (12) с изменяемым фазовым состоянием смешивают друг с другом в порошкообразном состоянии.crystallization centers (14) and thermoplastic material (12) with a variable phase state are mixed with each other in a powder state. 9. Способ по п. 7,9. The method according to p. 7, отличающийся тем, чтоcharacterized in that материал (12) с изменяемым фазовым состоянием перед смешением с центрами (14) кристаллизации смешивают с растворителем, в частности с органическим растворителем, и после смешения материала (12) с изменяемым фазовым состоянием с центрами (14) кристаллизации растворитель удаляют из смеси (22).the material (12) with a variable phase state before mixing with the crystallization centers (14) is mixed with a solvent, in particular with an organic solvent, and after mixing the material (12) with a variable phase state with crystallization centers (14), the solvent is removed from the mixture (22) . 10. Способ по одному из пп. 7-9,10. The method according to one of paragraphs. 7-9, отличающийся тем, чтоcharacterized in that смесь (22) экструдируют или прессуют, в частности формуют горячим прессованием, с получением композиционного материала (10).the mixture (22) is extruded or pressed, in particular molded by hot pressing, to obtain a composite material (10). 11. Способ по п. 10,11. The method according to p. 10, отличающийся тем, чтоcharacterized in that в случае прессования смеси (22), в частности формования горячим прессованием, ее при этом одновременно вакуумируют настолько, чтобы композиционный материал (10) имел заданную пористость.in the case of pressing the mixture (22), in particular hot-molding, it is simultaneously vacuumed so that the composite material (10) has a given porosity.
RU2015144589A 2013-03-18 2014-02-19 Composite material for thermal energy storage device and method for producing of composite material for thermal energy storage device RU2620843C2 (en)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102013204690.1 2013-03-18
DE102013204690.1A DE102013204690A1 (en) 2013-03-18 2013-03-18 Composite material for a thermal energy storage and method for producing a composite material for a thermal energy storage
PCT/EP2014/053178 WO2014146844A1 (en) 2013-03-18 2014-02-19 Composite material for a thermal energy storage means and process for producing a composite material for a thermal energy storage means

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2015144589A RU2015144589A (en) 2017-04-24
RU2620843C2 true RU2620843C2 (en) 2017-05-30

Family

ID=50241375

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2015144589A RU2620843C2 (en) 2013-03-18 2014-02-19 Composite material for thermal energy storage device and method for producing of composite material for thermal energy storage device

Country Status (5)

Country Link
EP (1) EP2956519A1 (en)
CN (1) CN105189693A (en)
DE (1) DE102013204690A1 (en)
RU (1) RU2620843C2 (en)
WO (1) WO2014146844A1 (en)

Families Citing this family (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP3139123B1 (en) * 2015-09-02 2018-01-10 H.M. Heizkörper GmbH & Co. KG Latent heat storage unit with a device for triggering the crystallization in a phase change material and method for triggering the crystallization in a phase change material
CN108750396B (en) * 2018-06-29 2020-11-03 丁玉龙 Heat-insulating transportation system
CN108759536A (en) * 2018-06-29 2018-11-06 丁玉龙 energy storage device
CN115181551B (en) * 2022-07-07 2023-12-12 深圳市鸿富诚新材料股份有限公司 Anisotropic heat conduction phase change material and preparation method thereof

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3785365A (en) * 1969-01-08 1974-01-15 Laing Ingeborg Temperature conditioning means
US4104185A (en) * 1975-04-23 1978-08-01 U.S. Philips Corporation Latent heat accumulator
US4463799A (en) * 1980-10-29 1984-08-07 Agency Of Industrial Science Technology, Ministry Of International Trade & Industry Heat storage medium for latent heat thermal energy storage unit
EP0481564A2 (en) * 1990-10-15 1992-04-22 Matsushita Electric Works, Ltd. Oily matter containing heat storage material and manufacturing method thereof
RU2094709C1 (en) * 1994-08-09 1997-10-27 Акционерное общество открытого типа Русская компания "Реновация" Peak heat-electric power plant with heat storage built around phase transitions

Family Cites Families (14)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4487856A (en) * 1983-03-14 1984-12-11 E. I. Du Pont De Nemours And Company Ethylene polymer composite heat storage material
JPS59170180A (en) * 1983-03-18 1984-09-26 Mitsui Petrochem Ind Ltd Heat accumulative material of latent heat type
JPS59210988A (en) * 1983-05-17 1984-11-29 Mitsui Petrochem Ind Ltd Latent heat type thermal energy storage material
JPS59232164A (en) * 1983-06-16 1984-12-26 Mitsui Petrochem Ind Ltd Latent heat type thermal energy storage material
JPS6086190A (en) * 1983-10-17 1985-05-15 Agency Of Ind Science & Technol Polyolefin thermal energy storage material having heat- resistant fine powder coating layer
US5687706A (en) * 1995-04-25 1997-11-18 University Of Florida Phase change material storage heater
CN100358132C (en) * 2005-04-14 2007-12-26 清华大学 Thermal interface material producing method
CN100404242C (en) * 2005-04-14 2008-07-23 清华大学 Heat interface material and its making process
CN1990816A (en) * 2005-12-28 2007-07-04 财团法人工业技术研究院 Composition for heat interfacial material
US8171984B2 (en) * 2006-02-01 2012-05-08 Sgl Carbon Ag Latent heat storage devices
WO2008136912A1 (en) * 2007-05-07 2008-11-13 Massachusetts Institute Of Technology Polymer sheets and other bodies having oriented chains and method and apparatus for producing same
CN101709119A (en) * 2009-07-27 2010-05-19 张世忠 Phase-change energy storage plastic
US20110228481A1 (en) * 2010-03-19 2011-09-22 Domintech Co., Ltd. Thermally conductive interface means
CN101915465A (en) * 2010-08-30 2010-12-15 上海交通大学 Solar heat storing and collecting device

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3785365A (en) * 1969-01-08 1974-01-15 Laing Ingeborg Temperature conditioning means
US4104185A (en) * 1975-04-23 1978-08-01 U.S. Philips Corporation Latent heat accumulator
US4463799A (en) * 1980-10-29 1984-08-07 Agency Of Industrial Science Technology, Ministry Of International Trade & Industry Heat storage medium for latent heat thermal energy storage unit
EP0481564A2 (en) * 1990-10-15 1992-04-22 Matsushita Electric Works, Ltd. Oily matter containing heat storage material and manufacturing method thereof
RU2094709C1 (en) * 1994-08-09 1997-10-27 Акционерное общество открытого типа Русская компания "Реновация" Peak heat-electric power plant with heat storage built around phase transitions

Also Published As

Publication number Publication date
WO2014146844A1 (en) 2014-09-25
EP2956519A1 (en) 2015-12-23
DE102013204690A1 (en) 2014-09-18
CN105189693A (en) 2015-12-23
RU2015144589A (en) 2017-04-24

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2620843C2 (en) Composite material for thermal energy storage device and method for producing of composite material for thermal energy storage device
Zhang et al. Novel semi‐interpenetrating network structural phase change composites with high phase change enthalpy
Zhao et al. A critical review of the preparation strategies of thermally conductive and electrically insulating polymeric materials and their applications in heat dissipation of electronic devices
Cheewawuttipong et al. Thermal and mechanical properties of polypropylene/boron nitride composites
Liu et al. Favorable thermoresponsive shape memory effects of 3D printed poly (lactic acid)/poly (ε‐caprolactone) blends fabricated by fused deposition modeling
CN108288739B (en) Thermal management module for cylindrical battery, preparation method of thermal management module and battery pack
Zhang et al. Characterization of polymethyl methacrylate/polyethylene glycol/aluminum nitride composite as form-stable phase change material prepared by in situ polymerization method
Liu et al. Preparation and properties of polyethylene glycol based semi-interpenetrating polymer network as novel form-stable phase change materials for thermal energy storage
CN103739929B (en) The polyolefine height semi-conductive screen material of cable graphene-containing and its preparation method
CN104371666A (en) Preparation method of high-thermal-conductivity low-leakage phase-change composite
CN103224638B (en) Textured Polymer Composites with High Thermal Conductivity of filler and preparation method thereof
CN107434905A (en) Heat-conducting polymer composite material and preparation method and application thereof
CN107541027A (en) A kind of polymer matrix phase-changing energy storage material and preparation method thereof
Yu et al. Regulating polycrystalline behavior of the β‐nucleated isotactic polypropylene/graphene oxide composites by melt memory effect
Faraj et al. Crystallization kinetics of new low viscosity polyamides 66 for thermoplastic composites processing
Beloshenko et al. Electrical properties of carbon-containing epoxy compositions under shape memory effect realization
Li et al. Experimental evaluation of heat conduction enhancement and lithium-ion battery cooling performance based on h-BN-based composite phase change materials
Wang et al. Ultrafast battery heat dissipation enabled by highly ordered and interconnected hexagonal boron nitride thermal conductive composites
CN106046550A (en) High-temperature-resistant, aging-resistant and impact-resistant heat-conduction polypropylene material and preparing method thereof
Shu et al. Effective regulation of thermal conductivity of polyetherimide/low–melting–point alloy composites based on the construction of segregated structure
CN104987630A (en) Modified polytrifluorochloroethylene and molding process thereof
Han et al. Tetris-style stacking process to tailor the orientation of carbon fiber scaffolds for efficient heat dissipation
Zhang et al. Facile route to improve the crystalline memory effect: Electrospun composite fiber and annealing
Feng et al. Carbon nanotubes induced poly (vinylidene fluoride) crystallization from a miscible poly (vinylidene fluoride)/poly (methyl methacrylate) blend
CN112778979A (en) High-thermal-conductivity polymer-shaped composite phase-change material and preparation method thereof

Legal Events

Date Code Title Description
MM4A The patent is invalid due to non-payment of fees

Effective date: 20190220