WO2011124624A1 - Wärmespeicherverbundmaterial enthaltend expandierten graphit und pcm und verfahren zu dessen herstellung - Google Patents

Wärmespeicherverbundmaterial enthaltend expandierten graphit und pcm und verfahren zu dessen herstellung Download PDF

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WO2011124624A1
WO2011124624A1 PCT/EP2011/055381 EP2011055381W WO2011124624A1 WO 2011124624 A1 WO2011124624 A1 WO 2011124624A1 EP 2011055381 W EP2011055381 W EP 2011055381W WO 2011124624 A1 WO2011124624 A1 WO 2011124624A1
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heat storage
graphite
composite material
shaped body
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Werner Langer
Bastian Hudler
Rainer Schmitt
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Sgl Carbon Se
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    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
    • F28D—HEAT-EXCHANGE APPARATUS, NOT PROVIDED FOR IN ANOTHER SUBCLASS, IN WHICH THE HEAT-EXCHANGE MEDIA DO NOT COME INTO DIRECT CONTACT
    • F28D20/00—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00
    • F28D20/02—Heat storage plants or apparatus in general; Regenerative heat-exchange apparatus not covered by groups F28D17/00 or F28D19/00 using latent heat
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F28—HEAT EXCHANGE IN GENERAL
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    • F28F21/00—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials
    • F28F21/02—Constructions of heat-exchange apparatus characterised by the selection of particular materials of carbon, e.g. graphite
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01M—PROCESSES OR MEANS, e.g. BATTERIES, FOR THE DIRECT CONVERSION OF CHEMICAL ENERGY INTO ELECTRICAL ENERGY
    • H01M10/00—Secondary cells; Manufacture thereof
    • H01M10/60—Heating or cooling; Temperature control
    • H01M10/65—Means for temperature control structurally associated with the cells
    • H01M10/659—Means for temperature control structurally associated with the cells by heat storage or buffering, e.g. heat capacity or liquid-solid phase changes or transition
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/10—Energy storage using batteries
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    • Y02E60/00—Enabling technologies; Technologies with a potential or indirect contribution to GHG emissions mitigation
    • Y02E60/14—Thermal energy storage

Definitions

  • Thermal storage composite material containing expanded graphite and PCM and process for its preparation
  • the invention relates to a PCM-EG composite matehal, a process for its preparation, a PCM-EG molding, a process for its preparation and a use of the PCM-EG molding.
  • Phase change materials are known for storing latent heat, but due to their low thermal conductivity, heat or cold to be stored or released can be absorbed or released by PCM too slowly.
  • the object of the invention is to provide a PCM graphite heat storage material which does not have the above-mentioned disadvantages of the prior art, in particular PCM and graphite do not separate, which is easy to manufacture and the geometry of a heat storage, which consists of a Heat storage material is produced, has a high flexibility.
  • Another object is to provide such a heat accumulator and a method for its production.
  • the first object is achieved with a method according to claim 1 and a heat storage composite material according to claim 4.
  • Preferred embodiments are specified in the dependent subclaims.
  • an expanded graphite and PCM composite is produced by infiltrating a graphite body of at least partially compressed expanded graphite with PCM in the liquid state and crushing the infiltrated graphite body into particles, the PCM being solid and / or liquid during comminution Condition exists.
  • the composite material may contain expanded graphite and PCM as the predominant main constituent, which in total constitutes at least 50% by weight, in particular at least 80% by weight, in particular at least 90% by weight.
  • PCM and expanded graphite are the only two components of the composite material.
  • additives such as nucleating agents or stabilizers.
  • the process according to the invention has the surprising effect that no separation of PCM and graphite occurs in the composite material obtained by the process according to the invention in contrast to conventional composite material.
  • the composite since the composite is in the form of particles, it can be mixed by itself. Fixation of PCM is provided locally in particles.
  • the crushing comprises at least one of the steps of milling, chopping, shredding and milling or other machining operations, such as rubbing or rasping.
  • steps of milling, chopping, shredding and milling or other machining operations such as rubbing or rasping.
  • a molded body infiltrated with PCM can be cut particularly well, so that particles are obtained which advantageously have a particularly uniform shape.
  • the crushing is carried out with a crusher comprising shredders, shredders, graters, rapeseed, milling and the like.
  • a crusher comprising shredders, shredders, graters, rapeseed, milling and the like.
  • the heat storage composite material is not strongly compressed, which is possible, for example, by machining.
  • the PCM contains paraffin, sugar alcohol, gas hydrate, water, an aqueous solution of a salt, salt hydrate, a mixture of salt hydrates, a salt, a eutectic mixture of salts, an alkali metal hydroxide, or mixtures containing at least one of the aforementioned PCMs contain. It may be advantageous for the PCM to contain sodium acetate trihydrate and / or calcium hydroxide hexahydrate.
  • the object is further achieved with a heat storage composite material according to claim 4.
  • the heat storage composite material containing expanded graphite and PCM is present in comminuted particles of a graphite body infiltrated with PCM. This results in the above for the
  • the heat storage composite material preferably has a proportion of PCM above 60% by weight, in particular above 70% by weight, in particular above 80% by weight. Such high PCM levels are possible in contrast to the prior art, without causing segregation of PCM and graphite.
  • the particles may have an average particle size d50 between 5 ⁇ m and 5 mm, in particular between 30 ⁇ m and 1.5 mm, in particular between 200 ⁇ m and 0.5 mm.
  • the particles of the heat storage composite material have a flowability. This has the advantage that the heat storage composite material can be poured into a virtually arbitrarily shaped mold and can already be present in such a form by pouring in a high relative bulk density.
  • the heat storage composite has a flowability, although the PCM is at least partially in liquid form.
  • a pore system in the expanded graphite is designed such that the PCM moves from a surface of the EG particles into an interior of the EC particle, so that the surface remains substantially dry and therefore the flowability is at least substantially maintained.
  • the heat storage composite material in the form of particles can be used directly as a thermal storage.
  • the particulate heat storage composite material is advantageously given in designated cavities, containers or the like, where, for example, accumulates and / or dissipated heat or cold.
  • the second object is achieved by a method according to claim 9.
  • a heat storage mold containing graphite and a PCM is produced by containing particle-shaped heat storage composite material containing graphite and a PCM, in particular inventive moderate heat storage composite material, in particular produced by a method according to the invention, is solidified using heat and / or pressure to form a shaped body.
  • This has the advantage that a shaped body is obtained which, like the individual particles of heat storage composite material of which it consists, does not undergo segregation of the PCM and graphite. This is particularly the case both in the production of the molding and in its use, where the PCM can also at least partially melt.
  • particles containing PCM and graphite may also be used as the particles obtained by comminuting an infiltrated graphite body for the process of the invention.
  • Such particles with graphite and PCM may, for example, also have lower PCM contents than 60% by weight. This can be particularly advantageous if PCM and graphite are not prone to segregation, as is the case with low PCM contents. Then conventionally produced particles of PCM and graphite can be used.
  • the heat storage composite material is given prior to the application of heat and pressure in a press or casting mold whose inner shape corresponds to the desired outer shape of the shaped body.
  • a molded body having predetermined outer geometries is produced directly.
  • the shaped body is at least partially formed around at least one partial body.
  • the shaped body is at least partially formed around at least one partial body.
  • a cavity is created, which is suitable for receiving an object to be tempered.
  • articles to be tempered in the resulting molded body can be used immediately. be inserted into cavities of the molded body, which are then exposed directly to a cooling of the heating.
  • the part body is left in the molding after the production of the molding.
  • the part body has a cavity which is suitable for receiving an object to be tempered.
  • This has the advantage that the partial body does not have to be removed in order to create a cavity, but instead the partial body itself can receive an object to be tempered.
  • a battery to be cooled or a similar cylindrical body can be used about a hollow cylinder, which is left in the molding.
  • the hollow cylinder acts initially shaping, but also fulfills the task of receiving the cylindrical body to be cooled.
  • part body is left in the molding and is itself the object to be tempered dar.
  • tempering body does not need to be additionally introduced.
  • the object to be tempered may be a conduit through which a liquid or a gas can flow.
  • This can be, for example, a pipe, a hose or the like.
  • a heat exchanger can be produced.
  • the object to be tempered may be a battery.
  • the term "battery” is understood to mean any desired electrical energy store, such as a fuel cell, an accumulator, a condenser, or the like.
  • the second object is further achieved with a heat storage mold body according to claim 18.
  • Advantageous embodiments are specified in the dependent subclaims.
  • the inventive graphite and PCM-containing heat Me App tonn body which is in particular produced by a method according to the invention, in particular with a particulate heat storage composite material according to the invention, has been solidified by applying heat and / or pressure to the mold body.
  • the PCM and the graphite in the molding do not segregate during use.
  • the PCM and the graphite in the molded article advantageously do not separate out.
  • the molding is provided with an outer shell.
  • no PCM can escape even if the PCM completely melts.
  • the heat storage mold body is also protected against external influences.
  • the at least one part body is part of the outer shell.
  • partial bodies can be used for shaping with the shaped body, which are left in the shaped body. Either a remaining outer shell is connected to the body part or the outer shell is already connected to the body during the forming of the molding around the body part.
  • an inner surface of the cavity of the part body is part of an outer surface of the outer shell.
  • a heat storage body according to the invention as a thermal store, as a battery heating body, for air conditioning, in particular of buildings or vehicles, as a heating store, in particular of buildings or vehicles, as in central heating storages, as a refrigeration storage element, as a cooling wall element, as a heating wall element , Especially of rooms, including vehicle interiors, cooling of electrical components, such as batteries or to use as a cooling element of food.
  • Fig. 1 is a perspective view of a heat storage body according to the invention, which is suitable as Batteriethermier Sciences, Fig. 2a) to 2c) schematically steps of a method according to the invention for producing a heat storage form body of heat storage composite material.
  • a heat storage composite material 1 according to the invention which is in the form of particles 2, is represented in the following steps: Natural graphite is expanded and compressed in a known manner to produce a partially compressed preform made of expanded graphite. This preform is infiltrated with a phase change material (PCM for short), which is in liquid form at the infiltration conditions. This is molten paraffin in this example. Also suitable, for example, are sugar alcohols, gas hydrates, water, aqueous solutions of salts, salt hydrates, mixtures of salt hydrates, salts and eutectic mixtures of salts, alkali metal hydroxides, and mixtures containing at least one of the abovementioned PCMs.
  • PCM phase change material
  • the infiltration can be carried out by dip impregnation, vacuum infiltration or other known methods. It will contain a PCM graphite composite material, which has the outer shape of the preform, so for example as a plate of a thickness of 1 cm is present. The dimensions of the preform can be varied as desired. By pressing pressure in compressing the expanded graphite, various densities are set, such as between 0.01 g / cm 3 and 0.4 g / cm 3 . Depending on the density, the open porosity of the preform is correspondingly variable and thus the possible percentage of PCM in the infiltrated heat storage composite material.
  • the resulting heat storage composite material is ground after hardening or solidifying the PCM by cooling with a Rapsel in particles containing a Grain size d50 between 30 ⁇ and 1, 5 mm have.
  • a Rapsel in particles containing a Grain size d50 between 30 ⁇ and 1, 5 mm have.
  • the PCM does not necessarily have to be cooled down before the heat storage composite material is comminuted into particles.
  • the particles obtained have the property that they themselves have a stable graphite network of the former preform and therefore the PCM is stabilized. Because of the small pore size in the graphite, the PCM, after melting, is presumably retained by capillary forces and surface forces in the respective particle without flowing out.
  • the particles 2 are free-flowing and can be poured into a pressing or casting mold 3, as shown in FIGS. 2a) to 2c). Because of this, they already have a high bulk density due to the very good flowability (FIG. 2b).
  • the individual particles are baked, sintered or melted, whereby they are solidified and compacted into a single total body 4, which is referred to as a heat storage form body 4. Pressure and temperature can be adjusted depending on the PCM used.
  • This method is suitable to produce even complex shaped heat storage form body 4.
  • a heat storage mold body 4 can be produced as shown in Fig. 1, without mechanical reworking would be necessary.
  • the heat storage form body 4 of FIG. 1 is a Batterietemperier Sciences, in its recesses 5 batteries (not shown) can be introduced. Heat generated by the batteries is stored as latent heat from the PCM, with the graphite of the heat storage mold body 4 accelerating the transport of heat from one surface of the battery to the PCM.
  • the heat storage form body 4 has an outer shell 6 made of sheet metal, the heat storage composite material 1 from external influences, such as mechanical damage or chemical influences protects from leaking batteries.
  • the outer shell 6 is already used as a press or casting mold 3, so that demoulding and provision of an additional outer shell 6 are eliminated.
  • hollow part of body 7 remain with a recess 5, which are adapted to receive a body to be tempered, such as a battery, in the molded body 4.
  • the partial body 7 parts of the pressing or casting mold 3. could be a rest Outer shell 6, which does not contain the part body 7 integrally then then arrange around the shaped body 4.
  • tubes of a heat exchanger are enveloped with the aid of particles according to the invention as described above for the partial bodies.
  • the tubes remain in the obtained after application of pressure and / or temperature heat storage moldings.
  • the resulting heat storage mold body 4 would have continuous recesses instead of the recesses shown in Fig. 1.
  • the inventive method can also be applied to very complicated outer contours of the heat storage molded body 4 to be produced, i. it can be applied to complex molded press / casting molds 3.
  • the method according to the invention can be used everywhere where heat and / or cold should be dissipated and / or stored. Since the inventive heat storage composite material 1 can contain large amounts of PCM, particularly high amounts of heat and cold can be stored.
  • a formation of a heat storage shaped body 4 can generally be produced with all particles 2 made of a PCM-graphite composite 1.
  • This method according to the invention is not limited to the use of the particles 2 according to the invention.
  • all the features described in the claims, the figures and the description can be combined as desired, as long as they are are technically useful and the inventive solution of the problems that the invention has been, serve.

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials mit expandiertem Graphit und Phasenwechselmaterial (PCM). Erfindungsgemäß wird das Verbundmaterial durch Infiltrieren eines Graphitkörpers aus zumindest teilweise komprimiertem expandiertem Graphit mit PCM im flüssigen Zustand und Zerkleinern des infiltrierten Graphitkörpers in Partikel hergestellt, wobei das PCM während des Zerkleinerns im festen und/oder flüssigen Zustand vorliegt.

Description

Wärmespeicherverbundmaterial enthaltend expandierten Graphit und PCM und Verfahren zu dessen Herstellung
Die Erfindung betrifft ein PCM-EG-Verbundmatehal, ein Verfahren zu seiner Herstellung, einen PCM-EG-Formkörper, ein Verfahren zu seiner Herstellung und eine Verwendung des PCM-EG-Formkörpers.
Phasenwechselmaterialien (kurz PCM von„phase change material") zur Speicherung latenter Wärme sind bekannt. Wegen ihrer geringen Wärmeleitfähigkeit kann zu speichernde oder abzugebende Wärme oder Kälte jedoch zu langsam von PCM aufgenommen oder abgegeben werden.
Hierfür ist bekannt, Graphit mit seiner hohen thermischen Leitfähigkeit zusammen mit PCM zu einem hoch effektiven Verbundmaterial zu kombinieren, das sowohl hohe Wärmespeicherkapazitäten als auch hohe Aufnahme- und Abgabegeschwindigkeiten besitzt. Unter den Begriffen Wärmespeicher und Wärmeleitung sind im Folgenden auch immer Kältespeicher und Kälteleitung etc. mit eingeschlossen. Um größere Mengen Wärme bzw. Kälte speichern zu können, werden entsprechend großvolumige Wärmespeicher benötigt. Diese werden herkömmlich durch Einmischen von Graphit in PCM hergestellt. Hierbei besteht allerdings das Problem, dass beim Aufschmelzen des PCM Graphit und PCM zur Entmischung neigen, was die Wärmespeichereigenschaften des Speichers sich verschlechtern lassen. Generell besteht das Problem, dass Graphitflocken wegen ihrer geringen Dichte auf flüssigem PCM aufschwimmen und schlecht in das PCM eingerührt werden können. Eine andere herkömmliche Methode zur Herstellung eines PCM-Graphit-Wärmespei- chers besteht darin, einen porösen Graphitblock mit flüssigem PCM zu infiltrieren. Dies hat den Nachteil, dass eine Infiltrierung nur in einem oberflächennahen Bereich erfolgt und außerdem eine aufwändige Nachbearbeitung nötig ist.
Bekannt ist des Weiteren, PCM beispielsweise in Kügelchen verkapselt in einer Graphitmatrix einzubringen. Die Verkapselung verhindert bei einem Aufschmelzen des PCM, dass sich PCM und Graphit entmischen. Nachteilig ist hierbei, dass die Verkapselung eine Wärmeleitung zwischen Graphit und PCM behindert.
Aufgabe der Erfindung ist, ein PCM-Graphit-Wärmespeichermaterial bereitzustellen, das die oben genannten Nachteile des Stands der Technik nicht aufweist, bei dem sich insbesondere PCM und Graphit nicht entmischen, das leicht herzustellen ist und das bezüglich der Geometrie eines Wärmespeichers, der aus einem Wärmespei- chermaterial hergestellt wird, eine hohe Flexibilität aufweist. Aufgabe ist des Weiteren, einen derartigen Wärmespeicher und ein Verfahren zu seiner Herstellung anzugeben.
Gelöst wird die erste Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 1 und einem Wärmespeicherverbundmaterial gemäß Anspruch 4. Bevorzugte Ausbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.
Gemäß einem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Verbundmaterial mit expandiertem Graphit und PCM durch Infiltrieren eines Graphitkörpers aus zumindest teil- weise komprimiertem expandiertem Graphit mit PCM im flüssigen Zustand und Zerkleinern des infiltrierten Graphitkörpers in Partikel hergestellt, wobei das PCM während des Zerkleinerns im festen und/oder flüssigen Zustand vorliegt.
Insbesondere kann das Verbundmaterial expandierten Graphit und PCM als über- wiegenden Hauptbestandteil enthalten, der in der Summe zumindest 50 Gew.-%, insbesondere zumindest 80 Gew.-%, insbesondere zumindest 90 Gew.-% ausmacht. Beispielsweise sind PCM und expandierter Graphit die beiden einzigen Bestandteile des Verbundmaterials. Es können aber auch Zusatzstoffe verwendet werden, wie Keimbildner oder Stabilisatoren.
Das erfindungsgemäße Verfahren hat den überraschenden Effekt, dass bei dem durch das erfindungsgemäße Verfahren erhaltenen Verbundmaterial im Gegensatz zu herkömmlichem Verbundmaterial keine Entmischung von PCM und Graphit auftritt. Da das Verbundmaterial jedoch in Form von Partikeln vorliegt, kann es selbst durchmischt werden. Die Fixierung des PCM wird lokal in den Partikeln gewährleistet.
Vorteilhaft umfasst das Zerkleinern zumindest einen der Schritte Aufmahlen, Häckseln, Shreddern und Fräsen oder andere spanende Bearbeitungen, wie Reiben oder Raspeln. Mit diesen Schritten lässt sich ein mit PCM infiltrierter Formkörper besonders gut zerkleinern, so dass Partikel erhalten werden, die vorteilhaft eine besonders gleichmäßige Form aufweisen.
Vorzugsweise wird das Zerkleinern mit einer Zerkleinerungsmaschine durchgeführt, die Häcksler, Shredderer, Reiben, Rapsein, Fräsen und ähnliche umfasst. Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn das Wärmespeicherverbundmaterial nicht stark kompri- miert wird, was beispielsweise durch spanende Bearbeitung möglich ist.
Vorzugsweise enthält das PCM Paraffin, Zuckeralkohol, Gashydrat, Wasser, eine wässrige Lösung eines Salzes, Salzhydrat, eine Mischung aus Salzhydraten, ein Salz, eine eutektische Mischung von Salzen, ein Alkalimetall-Hydroxid, oder Mi- schungen, die zumindest eines der vorgenannten PCMs enthalten. Es kann vorteilhaft sein, dass das PCM Natriumacetat-Trihydrat und/oder Calciumhydroxid-Hexa- hydrat enthält.
Gelöst wird die Aufgabe des Weiteren mit einem Wärmespeicherverbundmaterial gemäß Anspruch 4. Erfindungsgemäß liegt das Wärmespeicherverbundmaterial, das expandierten Graphit und PCM enthält, in zerkleinerten Partikeln eines mit PCM infiltrierten Graphitkörpers vor. Dadurch ergeben sich die oben für das
erfindungsgemäße Verfahren genannten Vorteile. Vorzugsweise besitzt das Wärmespeicherverbundmaterial einen Anteil an PCM über 60 Gew.-%, insbesondere über 70Gew.- %, insbesondere über 80 Gew.-%. Derart hohe PCM-Anteile sind im Gegensatz zum Stand der Technik möglich, ohne dass es zu Entmischungen von PCM und Graphit kommt.
Es kann vorteilhaft sein, dass die Partikel eine mittlere Korngröße d50 zwischen 5 μιτι und 5 mm, insbesondere zwischen 30 μιτι und 1 ,5 mm, insbesondere zwischen 200 μιτι und 0,5 mm besitzen.
Vorteilhafterweise besitzen die Partikel des Wärmespeicherverbundmaterials eine Rieselfähigkeit. Dies hat den Vorteil, dass sich das Wärmespeicherverbundmaterial in eine nahezu beliebig geformte Form schütten lässt und in einer solchen Form bereits alleine durch das Einschütten in einer hohen relativen Schüttdichte vorliegen kann.
Vorzugsweise besitzt das Wärmespeicherverbundmaterial eine Rieselfähigkeit, obwohl das PCM zumindest teilweise in flüssiger Form vorliegt. Vermutlich ist ein Porensystem im expandierten Graphit derart ausgebildet, dass sich das PCM von einer Oberfläche der EG-Partikel in ein Inneres des EG-Partikels zieht, so dass die Oberfläche im Wesentlichen trocken bleibt und die Rieselfähigkeit daher zumindest im Wesentlichen erhalten bleibt.
Erfindungsgemäß kann das Wärmespeicherverbundmaterial in Form von Partikeln unmittelbar als thermischer Speicher verwendet werden. Dazu wird das partikelförmige Wärmespeicherverbundmaterial vorteilhaft in dafür vorgesehene Hohlräume, Behälter oder ähnliches gegeben, wo beispielsweise zu speichernde und/oder abzuführende Wärme oder Kälte anfällt. Gelöst wird die zweite Aufgabe mit einem Verfahren gemäß Anspruch 9.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Wärmespeicherform körper, der Graphit und ein PCM enthält, dadurch hergestellt, dass partikelförmiges Wärmespeicherverbundmaterial, das Graphit und ein PCM enthält, insbesondere erfindungsge- mäßes Wärmespeicherverbundmaterial, insbesondere hergestellt mit einem erfindungsgemäßen Verfahren, unter Anwendung von Wärme und/oder Druck zu einem Formkörper verfestigt wird. Dies hat den Vorteil, dass ein Formkörper erhalten wird, der wie die einzelnen Partikel aus Wärmespeicherverbundmaterial, aus dem er besteht, keine Entmischung des PCM und Graphits erfährt. Dies ist insbesondere sowohl bei der Herstellung des Formkörpers als auch bei seinem Einsatz der Fall, wo das PCM ebenfalls zumindest teilweise aufschmelzen kann.
Es können auch andere Partikel, die PCM und Graphit enthalten, als durch Zerkleinern eines infiltrierten Graphitkörpers erhaltene Partikel für das erfindungemäße Verfahren verwendet werden. Derartige Partikel mit Graphit und PCM können beispielsweise auch niedrigere PCM-Gehalte als 60 Gew.-% aufweisen. Dies kann ins- besondere von Vorteil sein, wenn PCM und Graphit nicht zum Entmischen neigen, wie es etwa bei niedrigen PCM-Gehalten der Fall ist. Dann lassen sich herkömmlich hergestellte Partikel aus PCM und Graphit einsetzen.
Vorteilhaft wird das Wärmespeicherverbundmaterial vor der Anwendung von Wärme und Druck in eine Press- bzw. Gießform gegeben wird, deren Innenform der gewünschten Außenform des Formkörpers entspricht. Dadurch wird unmittelbar ein Formkörper mit vorbestimmten Außengeometrien hergestellt.
Dies hat auch den Vorteil, dass eine Nachbearbeitung des Formkörpers nur in gerin- gern Maße notwendig ist oder ganz entfällt.
Vorzugsweise wird der Formkörper zumindest teilweise um zumindest einen Teilkörper herum ausgebildet. Dadurch lassen sich gezielt komplizierte Geometrien des Formkörpers herstellen.
Es kann vorteilhaft sein, dass durch Umformen des Teilkörpers ein Hohlraum entsteht, der zur Aufnahme eines zu temperierenden Gegenstands geeignet ist. Dadurch können in den erhaltenen Formkörper zu temperierende Gegenstände unmit- telbar in Hohlräume des Formkörpers eingebracht werden, die dann unmittelbar einer Kühlung der Erwärmung ausgesetzt werden.
Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass der Teilkörper nach der Herstellung des Formkörpers im Formkörper belassen wird.
Vorzugsweise besitzt der Teilkörper einen Hohlraum, der zur Aufnahme eines zu temperierenden Gegenstands geeignet ist. Dies hat den Vorteil, dass der Teilkörper nicht entfernt werden muss, damit ein Hohlraum entsteht, sondern kann der Teilkör- per selbst einen zu temperierenden Gegenstand aufnehmen. Zur Aufnahme einer zu kühlenden Batterie oder eine ähnlichen zylindrischen Körpers kann etwa ein Hohlzylinder eingesetzt werden, der im Formkörper belassen wird. Der Hohlzylinder wirkt zunächst formgebend, erfüllt aber auch die Aufgabe, den zu kühlenden zylindrischen Körper aufzunehmen.
Nach einer vorteilhaften Variante wird der Teilkörper im Formkörper belassen und stellt selbst den zu temperierenden Gegenstand dar. Dies hat den Vorteil, dass nicht nur kein zusätzlicher Entformungsschritt notwendig ist, sondern der zu
temperierende Körper auch nicht zusätzlich eingebracht werden muss.
Es kann vorteilhaft sein, dass der zu temperierende Gegenstand ein mit einer Flüssigkeit oder einem Gas durchströmbare Leitung ist. Dies kann beispielsweise ein Rohr, ein Schlauch oder ähnliches sein. Dadurch lässt sich beispielsweise ein Wärmeaustauscher herstellen.
Nach einer andern vorteilhaften Ausführungsform kann der zu temperierender Gegenstand eine Batterie sein. Unter Batterie sind im Rahmen der Erfindung alle beliebigen elektrischen Energiespeicher zu verstehen, wie etwa eine Brennstoffzelle, ein Akkumulator, ein Kondensator o.ä.
Die zweite Aufgabe wird des Weiteren mit einem Wärmespeicherform körper nach Anspruch 18 gelöst. Vorteilhafte Ausbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben. Der erfindungsgemäße, Graphit und PCM enthaltende Wär- mespeicherfornn körper, der insbesondere nach einem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt ist, insbesondere mit einem erfindungsgemäßen partikelförmigen Wärmespeicherverbundmaterial, ist unter Anwendung von Wärme und/oder Druck zu dem Form körper verfestigt worden.
Vorteilhafterweise entmischen sich das PCM und der Graphit im Formkörper im Gebrauch nicht.
Insbesondere entmischen sich selbst bei einem vollständigen Aufschmelzen des PCM das PCM und der Graphit im Formkörper vorteilhafterweise nicht.
Nach einer vorteilhaften Variante ist der Formkörper mit einer Außenhülle versehen. Dadurch kann auch bei einem vollständigen Aufschmelzen des PCM kein PCM entweichen. Der Wärmespeicherform körper ist außerdem gegenüber äußeren Einflüs- sen geschützt.
Es kann des Weiteren vorteilhaft sein, dass der zumindest eine Teilkörper Teil der Außenhülle ist. Dadurch lassen sich Teilkörper zum Umformen mit dem Formkörper verwenden, die im Formkörper belassen werden. Entweder wird eine restliche Außenhülle mit dem Teilkörper verbunden oder die Außenhülle ist bereits beim Umformen des Formkörpers um den Teilkörper mit dem Teilkörper verbunden.
Es kann außerdem vorteilhaft sein, dass eine Innenoberfläche des Hohlraums des Teilkörpers Teil einer Außenoberfläche der Außenhülle ist.
Gemäß der Erfindung kann es vorteilhaft sein, einen erfindungsgemäßen Wärmespeicherkörper als thermischen Speicher, als Batteriethermierkörper, zur Klimatisierung, insbesondere von Gebäuden oder Fahrzeugen", als Heizungsspeicher insbesondere von Gebäuden oder Fahrzeugen, wie in Zentralheizungsspeichern, als Käl- tespeicherungselement, als Kühlungswandelement, als Heizwandelement, insbesondere von Räumen, auch Fahrzeuginnenräumen, Kühlung von elektrischen Bauteilen, wie Batterien oder als Kühlelement von Lebensmitteln zu verwenden. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen werden im Folgenden anhand eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren 1 und 2a bis 2c näher erläutert. Dabei zeigen:
Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Wärmespeicherkörpers, der als Batteriethermierkörper geeignet ist, Fig. 2a) bis 2c) schematisch Schritte eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Herstellung eines Wärmespeicherform körpers aus Wärmespeicherverbundmaterial.
Ein erfindungsgemäßes Wärmespeicherverbundmaterial 1 , das in Form von Partikeln 2 vorliegt, wird in den folgenden Schritten dargestellt: Naturgraphit wird auf bekannte Weise expandiert und soweit komprimiert, das ein teilkomprimierter Vorformling aus expandiertem Graphit entsteht. Dieser Vorformling wird mit einem Phasenwechsel- material (kurz PCM) infiltriert, das bei den Infiltritationsbedingungen in flüssiger Form vorliegt. Dies ist im vorliegenden Beispiel geschmolzenes Paraffin. Geeignet sind beispielsweise aber auch Zuckeralkohole, Gashydrate, Wasser, wässrige Lösungen von Salzen, Salzhydrate, Mischungen aus Salzhydraten, Salze und eutektische Mischungen von Salzen, Alkalimetall-Hydroxide, sowie Mischungen, die zumindest eines der vorgenannten PCMs enthalten. Die Infiltrierung kann durch Tauchimprägnieren, Vakuuminfiltrieren oder andere bekannte Methoden durchgeführt werden. Es wird ein PCM-Graphit-Verbundmaterial enthalten, das die äußere Form des Vorform- lings besitzt, also beispielsweise als Platte einer Dicke von 1 cm vorliegt. Die Abmessungen des Vorformlings können aber beliebig variiert werden. Durch den Pressdruck beim Komprimieren des expandierten Graphits werden verschiedene Dichten eingestellt, wie beispielsweise zwischen 0,01 g/cm3 und 0,4 g/cm3. In Abhängigkeit von der Dichte ist die offene Porosität des Vorformlings entsprechend variierbar und damit der mögliche prozentuale Gehalt an PCM im infiltrierten Wärmespeicherverbundmaterial.
Das erhaltene Wärmespeicherverbundmaterial wird nach dem Aushärten bzw. Verfestigen des PCM durch Abkühlen mit einer Rapsel in Partikel aufgemahlen, die eine Korngröße d50 zwischen 30 μηη und 1 ,5 mm besitzen. In Abhängigkeit der verwendeten Maschinen, die zum Zerkleinern des Wärmespeicherverbundmaterials eingesetzt werden, lassen sich gezielt kleinere oder größere Korngrößen erzielen. Auch muss das PCM nicht notwendigerweise abgekühlt sein, bevor das Wärmespeicher- verbundmaterial zu Partikeln zerkleinert wird.
Die erhaltenen Partikel haben die Eigenschaft, dass sie selbst ein stabiles Graphitnetzwerk des ehemaligen Vorformlings besitzen und daher das PCM stabilisiert vorliegt. Wegen der kleinen Porengröße im Graphit bleibt das PCM nach einem Auf- schmelzen vermutlich durch Kapillarkräfte und Oberflächen kräfte in dem jeweiligen Partikel erhalten ohne auszufließen.
Dadurch sind die Partikel 2 rieselfähig und können in eine Press- bzw. Gießform 3 geschüttet werden, wie in den Figuren 2a) bis 2c) dargestellt. Danach liegen sie we- gen der sehr guten Rieselfähigkeit bereits mit einer hohen Schüttdichte vor (Fig. 2b). Durch Anwenden von Druck und Temperatur verbacken die einzelnen Partikel, versintern oder schmelzen auf, wodurch sie zu einem einzigen Gesamtkörper 4 verfestigt und verdichtet werden, der als Wärmespeicherform körper 4 bezeichnet wird. Druck und Temperatur lassen sich in Abhängigkeit vom verwendeten PCM gezielt einstellen.
Durch Anlegen eines Unterdrucks während des Verdichtens wird eine Porosität im erhaltenen Wärmespeicherformkörper minimiert.
Dieses Verfahren ist geeignet, auch kompliziert geformte Wärmespeicherform körper 4 herzustellen. Beispielsweise lässt sich ein Wärmespeicherform körper 4 wie in Fig. 1 gezeigt herstellen, ohne dass mechanische Nachbearbeitungen nötig wären. Der Wärmespeicherform körper 4 nach Fig. 1 ist ein Batterietemperierkörper, in dessen Ausnehmungen 5 Batterien (nicht dargestellt) eingebracht werden können. Von den Batterien erzeugte Wärme wird als latente Wärme vom PCM gespeichert, wobei der Graphit des Wärmespeicherform körpers 4 den Transport der Wärme von einer Ober- fläche der Batterie zum PCM beschleunigt.
In vorliegendem Ausführungsbeispiel besitzt der Wärmespeicherform körper 4 eine Außenhülle 6 aus Metallblech, das das Wärmespeicherverbundmaterial 1 vor äußeren Einflüssen, wie mechanischen Beschädigungen oder chemischen Einflüssen, wie von auslaufenden Batterien schützt. In den Fig. 2a) bis 2c) wird die Außenhülle 6 bereits als Press- bzw. Gießform 3 genutzt, so dass ein Entformen und Vorsehen einer zusätzlichen Außenhülle 6 entfallen. Stattdessen kann aber auch eine Form 3 genutzt werden, aus der ein erhaltener Wärmespeicherform körper 4 entformt wird und um den anschließend eine Außenhülle 6 vorgesehen wird (nicht dargestellt). Insbesondere verbleiben hohle Teilkörper 7 mit einer Ausnehmung 5, die zur Aufnahme eines zu temperierenden Körpers, wie einer Batterie, ausgebildet sind, im Formkörper 4. Im vorliegenden Beispiel sind die Teilkörper 7 Teile der Press- bzw. Gießform 3. Alternativ ließe sich eine restliche Außenhülle 6, die die Teilkörper 7 nicht integral enthält dann anschließend um den Formkörper 4 anordnen.
In einer Variante des Ausführungsbeispiels (nicht dargestellt) werden Rohre eines Wärmetauschers mit Hilfe von erfindungsgemäßen Partikeln wie oben für die Teilkörper beschrieben umhüllt. Die Rohre verbleiben in dem nach Anwendung von Druck und/oder Temperatur erhaltenen Wärmespeicherformkörper. Der erhaltene Wärmespeicherform körper 4 würde anstelle der in Fig. 1 gezeigten Ausnehmungen durchgehende Rundlöcher aufweisen.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann auch bei sehr komplizierten Außenkonturen des herzustellenden Wärmespeicherformkörpers 4 angewandt werden, d.h. es kann bei komplex geformten Press-/Gießformen 3 angewandt werden.
Prinzipiell lässt sich das erfindungsgemäße Verfahren überall anwenden, wo Wärme und/oder Kälte abgeführt und/oder gespeichert werden soll. Da das erfindungsge- mäße Wärmespeicherverbundmaterial 1 große Mengen an PCM enthalten kann, können besonders hohe Wärme- und Kältemengen gespeichert werden.
Ein Ausbilden eines Wärmespeicherformkörpers 4 lässt sich generell mit allen Partikeln 2 aus einem PCM-Graphit- Verbund 1 herstellen. Dieses erfindungsgemäße Verfahren ist nicht auf die Verwendung der erfindungsgemäßen Partikel 2 beschränkt. Insbesondere lassen sich alle Merkmale, die aus den Ansprüchen, den Figuren und der Beschreibung beschrieben sind, beliebig kombinieren, solange sie technisch sinnvoll sind und der erfindungsgemäßen Lösung der Aufgaben, die sich die Erfindung gestellt hat, dienen.

Claims

Patentansprüche
1 . Verfahren zur Herstellung eines Verbundmaterials mit expandiertem Graphit und Phasenwechselmaterial (PCM), dadurch gekennzeichnet, dass das Verbundmaterial durch Infiltrieren eines Graphitkörpers aus zumindest teilweise komprimiertem expandiertem Graphit mit PCM im flüssigen Zustand und Zerkleinern des infiltrierten Graphitkörpers in Partikel hergestellt wird, wobei das PCM während des Zerkleinerns im festen und/oder flüssigen Zustand vorliegt.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das Zerkleinern zumindest einen der Schritte Aufmahlen, Häckseln, Shreddern, spanende Bearbeitung, wie Fräsen, Reiben oder Raspeln, umfasst.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das PCM Paraffin, Zuckeralkohol, Gashydrat, Wasser, eine wässrige Lösung eines Salzes, Salzhydrat, eine Mischung aus Salzhydraten, ein Salz, eine eutektische Mischung von Salzen, ein Alkalimetall-Hydroxid oder Mischungen mit zumindest einem dieser PCMs enthält.
4. Wärmespeicherverbundmaterial enthaltend expandierten Graphit und PCM, dadurch gekennzeichnet, dass das Wärmespeicherverbundmaterial in zerkleinerten Partikeln eines mit PCM infiltrierten Graphitkörpers vorliegt, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3.
5. Wärmespeicherverbundmaterial nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Anteil an PCM über 60 %, insbesondere über 70 %, insbesondere über 80 % liegt.
6. Wärmespeicherverbundmaterial nach Anspruch 4 oder 5, dadurch
gekennzeichnet, dass die Partikel eine mittlere Korngröße d50 zwischen 5 μιτι und 5 mm, insbesondere zwischen 30 μιτι und 1 ,5 mm, insbesondere zwischen 200 μιτι und 0,5 mm besitzen.
7. Wärmespeicherverbundmaterial nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Warmespeicherverbundmaterial bei Vorliegen des PCM in fester und/oder flüssiger Form rieselfähig vorliegt.
8. Verwendung des Wärmespeicherverbundmaterials nach einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 7 als thermischer Speicher.
9. Verfahren zur Herstellung eines Wärmespeicherformkörpers, der Graphit und ein PCM enthält, dadurch gekennzeichnet, dass ein partikelförmiges Wärmespeicherverbundmaterial, das Graphit und ein PCM enthält, insbesondere gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, unter Anwendung von Wärme und/oder Druck zu einem Formkörper verfestigt wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das
Wärmespeicherverbundmaterial vor der Anwendung von Wärme und Druck in eine Press- oder Gießform gegeben wird, deren Innenform der gewünschten Außenform des Formkörpers entspricht.
1 1 . Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper zumindest teilweise um zumindest einen Teilkörper herum ausgebildet wird.
12. Verfahren nach Anspruch 1 1 , dadurch gekennzeichnet, dass durch Umformen des Teilkörpers ein Hohlraum entsteht, der zur Aufnahme eines zu temperierenden
Gegenstands geeignet ist.
13. Verfahren nach einem Anspruch 1 1 und/oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilkörper nach der Herstellung des Formkörpers im Formkörper belassen wird.
14. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilkörper einen Hohlraum besitzt, der zur Aufnahme eines zu temperierenden Gegenstands geeignet ist.
15. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Teilkörper im Formkörper belassen wird und selbst den zu temperierenden Gegenstand darstellt.
16. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass der zu temperierende Gegenstand eine mit einer Flüssigkeit oder einem Gas durchströmbare Leitung ist.
17. Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass der zu temperierende Gegenstand eine Batterie ist.
18. Wärmespeicherform körper, insbesondere nach einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 17 hergestellt, der Graphit und ein PCM enthält, dadurch gekennzeichnet, dass partikelförmiges Wärmespeicherverbundmaterial, insbesondere gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 4 bis 8, insbeson- dere hergestellt gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3), die Graphit und ein PCM enthalten, unter Anwendung von Wärme und/oder Druck zu dem Formkörper verfestigt worden ist.
19. Formkörper nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass sich das PCM und der Graphit im Formkörper im Gebrauch nicht entmischen.
20. Formkörper nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass sich das PCM und der Graphit im Formkörper bei einem vollständigen Aufschmelzen des PCM nicht entmischen.
21 . Formkörper nach einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 20, dadurch gekennzeichnet, dass der Formkörper mit einer Außenhülle versehen ist.
22. Formkörper nach Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass der Teilkörper Teil der Außenhülle ist.
23. Formkörper nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass eine
Innenoberfläche des Hohlraums des Teilkörpers Teil einer Außenoberfläche der Außenhülle ist.
24. Verwendung eines Formkörpers gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 18 bis 23, insbesondere hergestellt mit einem Verfahren gemäß einem oder mehreren der Ansprüche 9 bis 17, als thermischer Speicher, Batteriethermierkorper, zur Klimatisierung, insbesondere von Gebäuden oder Fahrzeugen, als Heizungsspeicher insbesondere in Gebäuden oder Fahrzeugen oder zur Kühlung von elektrischen Bauteilen oder von Lebensmitteln.
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