WO2016034561A1 - Latentwärmespeicher, verfahren zu dessen herstellung sowie verwendung von durch druckumformen oder zugdruckumformen hergestellten behälter zur einkapselung von phasenwechselmaterial - Google Patents

Latentwärmespeicher, verfahren zu dessen herstellung sowie verwendung von durch druckumformen oder zugdruckumformen hergestellten behälter zur einkapselung von phasenwechselmaterial Download PDF

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WO2016034561A1 PCT/EP2015/069902 EP2015069902W WO2016034561A1 WO 2016034561 A1 WO2016034561 A1 WO 2016034561A1 EP 2015069902 W EP2015069902 W EP 2015069902W WO 2016034561 A1 WO2016034561 A1 WO 2016034561A1
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metal
latent heat
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fluid
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Stefan Gschwander
Peter Schossig
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Fraunhofer-Gesellschaft zur Förderung der angewandten Forschung e.V.
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Definitions

  • the present invention relates to a latent heat accumulator made of a container made of a metal or a metal composite produced by pressure forming or train pressure forming, in which a phase change material (PCM) is encapsulated.
  • PCM phase change material
  • the present invention relates to a method for producing such latent heat storage and the use of a container made of a metal or a metal composite produced by pressure forming or Werstedumformen with at least one fluid-tight sealable opening for encapsulation of a phase change material.
  • Latent storage materials also referred to as PCM (Phase Change Materials) or phase change materials
  • PCM Phase Change Materials
  • phase change materials store large amounts of heat compared to sensitive thermal storage materials through a phase change, for example from solid to liquid, at a low temperature. modification.
  • PCM Phase Change Materials
  • phase change materials store large amounts of heat compared to sensitive thermal storage materials through a phase change, for example from solid to liquid, at a low temperature. modification.
  • PCM Phase Change Materials
  • phase change materials phase change materials
  • PCM can also have combustible properties, as it is the case for example with paraffins as PCM, so that in addition to the chemical / mechanical strength and a sufficient fluid tightness must be ensured that prevents the escape of PCM.
  • the encapsulation material should also have a sufficiently high thermal conductivity in order to achieve the highest possible heat transfer performance to the environment. Depending on the field of application, plastics, metals or composites of these materials are therefore used as the encapsulating material.
  • DE 10 2009 032 918 A1 describes a process for producing a PCM capsule from a film material.
  • a film tube is used, which is closed by filling with PCM at a first end before filling and after filling at one end in each case by pressure welding.
  • phase change temperatures of PCM which are in the range above the melting temperatures customarily usable thermoplastics, are mainly metal materials as encapsulation material in question, which allow a corresponding temperature stability and due to their high thermal conductivity and a high loading and unloading.
  • the object of the invention is therefore to propose an encapsulation for PCM, which allows safe handling of PCM and is easy and inexpensive to manufacture.
  • the latent heat accumulator according to the invention is based on at least one phase change material (PCM), which is encapsulated in a container made of a metal or metal composite produced by pressure forming or Switzerlandchristumformen having at least one fluid-tight closed opening.
  • PCM phase change material
  • the container has a wall thickness in the range of 90 to 300 ⁇ .
  • the core of the present invention is the metallic container produced by pressure forming or draw-forming which, as a result of its production process, has a small wall thickness of 90 to 300 ⁇ m and thus low weight.
  • improved heat transfer capacities between the PCM and the environment can be achieved by the metallic material of the container.
  • a heat transfer is also favored by the small wall thickness of the container, so that a reaction of the encapsulated PCM can be carried out as a result of a change in temperature with a small time constant.
  • the mechanical stability of the container can be achieved by a cylindrical shape.
  • a can shape of the container in particular with a diameter in the range of 40 mm to 70 mm and a longitudinal extent of 110 mm to 180 mm, is preferred.
  • the at least one opening which may be formed in the cover surfaces of the cylindrical container, can be screwed in a fluid-tight manner to a cover.
  • a lid used for closing can have a self-separating thread.
  • the container is realized in the form of a tube.
  • the tube-shaped container preferably has a diameter in the range from 20 mm to 40 mm and a length in the region at its cylindrical head end from 150 mm to 220 mm.
  • a fluid-tight closure of the at least one opening can be realized by a folding of the material of the container.
  • the container is formed from a cylindrical sleeve open on both sides, can be provided to close the openings on one side a fold and opposite to the closure with a threaded cover a thread.
  • One or both openings can each be crimped fluid-tight with a lid. It is also possible that both openings are each sealed fluid-tight by a fold or weld.
  • the container preferably has a volume up to 500 ml, particularly preferably up to 350 ml.
  • the at least one encapsulated PCM may have a phase change temperature in the range of -50 ° C to 400 ° C, preferably in a range of 6 ° C to 350 ° C.
  • PCM at least one paraffin, a fatty acid, a salt hydrate, an alcohol, a salt or a mixture thereof may preferably be used.
  • the container should be formed of a metal or metal composite material which is preferably selected from the group consisting of aluminum, steel sheet, tin coated steel sheet, stainless steel or composites thereof.
  • the metal or metal composite material has a temperature stability up to a temperature of 200 ° C, preferably 400 ° C and particularly preferably 600 ° C.
  • At least the inner surface of the container may at least partially have a coating with anti-corrosion and / or anti-adhesion properties, so that the container is protected against corrosive wear, which may be caused by the PCM.
  • the outer surface of the container also has a coating with anti-corrosion and / or anti-adhesion properties.
  • a coating can be made of epoxy resin,
  • Polytetrafluoroethylene or be formed from a ceramic material.
  • a lid is provided for fluid-tight closure of the opening / s of the container, this should also be formed primarily of the container material and have a material thickness less than or equal to 300 ⁇ . At the same time, at least the cover side facing the interior of the container should also be provided with said coating.
  • the container sealed in a fluid-tight manner with the PCM encapsulated therein has a gas-filled free space which serves to compensate volume expansions in the case of changes in state (solid / liquid, liquid / solid) of the PCM.
  • Latent heat storage is performed so that from a plate-shaped or band-shaped metal or metal composite material by pressure forming or Anlagenbuchumformen first a container with at least one opening and a wall thickness in the range of 90 ⁇ to 300 ⁇ is formed.
  • the forming of the plate-shaped or strip-shaped metal or metal composite material can be achieved by deep drawing or extrusion - methods which are well known from the prior art - can be achieved.
  • the forming of the plate-shaped or strip-shaped metal or metal composite material can be achieved by ironing by drawing, wherein cylindrical containers are formed, whose top surface relative to the lateral surface have a greater wall thickness. Forming by ironing is also state of the art and is used in particular in the production of beverage cans.
  • the container thus produced is then filled through the opening (s) with at least one PCM. Finally, the opening (s) of the container are / are closed in a fluid-tight manner.
  • a plate-shaped or band-shaped metal or metal composite material may be used, which is preferably selected from the group consisting of: aluminum, steel, tin-coated sheet steel (tinplate), stainless steel. It is preferred that a plate-shaped or band-shaped metal or metal composite material is used, at least on the inner surface of the container forming side a coating with anti-corrosion and / or non-stick properties, in particular epoxy resin, polytetrafluoroethylene (PTFE), a ceramic Material or combinations thereof, so that the formed inside of the container from corrosive wear can be protected by the PCM used.
  • the coating may also be carried out after the manufacturing process of the container as an intermediate step before the PCM is filled in. The intermediate step for coating the container inner wall may necessitate further process steps, such as a drying step.
  • the fluid-tight closing of the at least one opening of the container can be achieved by screwing with a lid, by crimping with a lid, by welding and / or by a folding of the material of the container.
  • the closing of the opening by a folding of the material of the container can be realized simply and inexpensively, since no further parts (covers) are necessary to complete the encapsulation. It is possible to carry out the essential process steps - molding the container, filling the container with PCM and closing the opening (s) of the container - in one go. In this way, large quantities of encapsulated PCM can be produced at high speed.
  • threaded covers are used for the screwed closure of the openings.
  • both a positive connection and a positive connection between the lid and container can be achieved.
  • Used lids should preferably from the Be formed container material and have a wall thickness which is in the range of 90 ⁇ to 300 ⁇ .
  • the container In order to give the PCM enough space for expansion after the fluid-tight closure of the opening (s) of the container during a phase change, the container is filled with only 80% to 95% of its available volume with the PCM, so that in the closed container with a Gas-filled open space is formed.
  • PCM for simplified filling of the container with the PCM, it may be advantageous if a PCM is used, which is free-flowing or liquid. As a result, a simplified application and dosage, for example, be achieved by an applicator.
  • an ambient temperature and / or a temperature of the container can be maintained at which the PCM has a flowable state of aggregation in order to achieve optimum filling and dosing.
  • PCM can be encapsulated having a phase change temperature in a temperature range of -50 ° C to 400 ° C, preferably in a temperature range of 6 ° C to 300 ° C.
  • PCM can preferably be used: paraffin, alcohols, polymers, salt hydrates, salts.
  • the invention also provides the use of a container made of a metal or a metal composite produced by pressure forming or tensile pressure forming with at least one fluid-tight sealable opening for encapsulating a phase change material.
  • the metal or metal composite material is selected from the group consisting of aluminum, steel sheet, tin-coated steel sheet, stainless steel or bonded thereof, wherein the metal or metal composite material preferably up to a temperature of 200 ° C, preferably 400 ° C. and particularly preferably 600 ° C is temperature stable.
  • a further preferred embodiment provides that the inner and / or surface of the container at least partially a coating with anti-corrosion and / or anti-adhesion properties, in particular of epoxy resin, polytetrafluoroethylene (PTFE), a ceramic material or combinations thereof.
  • a coating with anti-corrosion and / or anti-adhesion properties in particular of epoxy resin, polytetrafluoroethylene (PTFE), a ceramic material or combinations thereof.
  • the at least one opening of the container is preferably fluid-tight screwed with a lid or 29ördelbar and / or fluid-tight manner by a folding of the material of the container.
  • Figures la and lb an embodiment of a latent heat storage in
  • Figures 2a to 2d different views of an embodiment of a can-shaped container for encapsulation of PCM
  • Figure 3 an embodiment of a bottle-shaped container with threaded opening
  • Figures la and lb show in two different views ( Figure lb in partial view) produced by pressure forming or Buch Fondumformen latent heat storage, which is formed in tube-shaped and has a filling with a PCM.
  • the container 1 is formed from anticorrosion coated aluminum and has a wall thickness of 90 ⁇ . Further, the container is fluid-tightly sealed at two openings, wherein the closure on the cylindrical side is realized with a threaded cover 3 made of aluminum and on the opposite side by a fold 2 of the container material.
  • Figures 2a to 2d show in different views / partial views
  • Embodiment of a can-shaped container for encapsulating PCM By the reference numeral 4 in each case flanged edges are marked, at which the metallic container with a lid 5 as partially shown in Figure 2c is fluid-tightly closed by crimping.
  • the metallic container with a lid 5 as partially shown in Figure 2c is fluid-tightly closed by crimping.
  • it is a container made of aluminum with a wall thickness of
  • the container shown in Figure 2 is formed in a bottle shape, wherein an opening has a thread for a screw cap.
  • Latent heat accumulator is operated so that from a plate-shaped or band-shaped metal or metal composite material by pressure forming or Anlagenchristumformen a container with at least one opening and a wall thickness in the range of 90 ⁇ to 300 ⁇ is formed.
  • a tinplate or aluminum strip is wetted with an extender (lubricant) and cut out or punched out suitable washers, from which then the body (container) is pulled.
  • an extender lubricant
  • suitable washers from which then the body (container) is pulled.
  • a flat bowl is created in the
  • Ironing machine is pushed over a plunger through several, increasingly narrow Abziehhringe until the desired wall thickness is reached.
  • the cup deforms to an increasingly longer and thinner walled container shape.
  • the bottom is shaped by a punch. Subsequently, material supernatant is removed.
  • a washing step may be provided in order to remove the extender.
  • the container prior to filling the container with PCM further intermediate steps may be provided to provide the container inside and / or outside with non-stick and / or anti-corrosion coatings. Following this, the container is filled through the at least one opening with at least one PCM.
  • a flowable PCM is used, the ambient temperature during the filling and the temperature of the container formed being kept constant in order to ensure the flowability of the PCM.
  • the opening is closed fluid-tight by a folding or welding of the container material.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher aus einem durch Druckumformen oder Zugdruckumformen hergestellten Behälter aus einem Metall oder einem Metallverbund, in dem ein Phasenwechselmaterial (PCM) eingekapselt ist. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher Latentwärmespeicher und die Verwendung von einem durch Druckumformen oder Zugdruckumformen hergestellten Behälter aus einem Metall oder einem Metallverbund mit mindestens einer fluiddicht verschließbaren Öffnung zur Einkapselung eines Phasenwechselmaterials.

Description

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V.
159PCT 2243
Latentwärmespeicher, Verfahren zu dessen Herstellung sowie
Verwendung von durch Druckumformen oder Zugdruckumformen hergestellten Behälter zur Einkapselung von Phasenwechselmaterial
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Latentwärmespeicher aus einem durch Druckumformen oder Zugdruckumformen hergestellten Behälter aus einem Metall oder einem Metallverbund, in dem ein Phasenwechselmaterial (PCM) eingekapselt ist. Ebenso betrifft die vorliegende Erfindung ein Verfahren zur Herstellung solcher Latentwärmespeicher und die Verwendung von einem durch Druckumformen oder Zugdruckumformen hergestellten Behälter aus einem Metall oder einem Metallverbund mit mindestens einer fluiddicht verschließbaren Öffnung zur Einkapselung eines Phasenwechselmaterials.
Latentspeichermaterialien, die auch als PCM (Phase Change Materials) oder Phasenwechselmaterialien bezeichnet werden, speichern im Vergleich zu sensiblen Wärmespeichermaterialien große Mengen Wärme durch einen Phasenwechsel, beispielsweise von fest zu flüssig, bei einer kleinen Temperatur- änderung. So eigenen sich PCM als Wärmespeicher mit hoher Speicherdichte und können aufgrund des Schmelzens bei konstanter Temperatur zur passiven Temperaturstabilisierung eingesetzt werden. Da PCM je nach Anwendungszustand eine flüssige Phase aufweisen ist es im Allgemeinen notwendig, ein geeignetes Behältnis zur Verkapselung vorzusehen. Dabei werden an die Ver- kapselungsmaterialen hinsichtlich der physikochemischen Eigenschaften von verschiedenen PCM besondere Anforderungen gestellt. So werden Verkapse- lungsmaterialen beispielsweise über einen weiten Temperaturbereich und/oder infolge von korrosiven Eigenschaften von PCM stark beansprucht. Ferner können PCM auch brennbare Eigenschaften aufweisen, wie es beispielsweise bei Paraffinen als PCM der Fall ist, so dass zusätzlich zur chemischen/mechanischen Festigkeit auch eine ausreichende Fluiddichtigkeit gewährleistet werden muss, die das Austreten von PCM verhindert. Neben den Eigenschaften, wie Dichtigkeit und chemische/mechanische Stabilität, sollte das Verkapselungsmaterial außerdem eine ausreichend hohe Wärmeleitfähigkeit aufweisen, um einen möglichst hohe Wärmeübertragungsleistung an die Umgebung zu erreichen. Als Verkapselungsmaterial kommen je nach Anwendungsbereich daher beispielsweise Kunststoffe, Metalle oder Verbünde aus diesen Materialen zum Einsatz.
Zur Herstellung von Latentwärmespeichern sind bereits eine Reihe von speziellen Verfahren und Vorrichtungen entwickelt worden. So ist aus
DE 10 2007 010 104 AI ein Verfahren zur Verkapselung von PCM bekannt, bei dem zwei Polyolefin-Halbschalen mittels Laserschweißtechnik miteinander verbunden werden. Nach diesem Verfahren können insbesondere sphärische PCM enthaltende Kapseln gebildet werden. Die Notwenigkeit eines Laserschweißgerätes stellt allerdings einen hohen Kostenfaktor dar.
In DE 10 2009 032 918 AI ist ein Verfahren zur Herstellung einer PCM-Kapsel aus einem Folienmaterial beschrieben. Bei dem Verfahren wird ein Folienschlauch verwendet, der vor dem Befüllen mit PCM an einem ersten Ende und nach dem Befüllen an einem weiteren Ende jeweils durch Pressschweißen verschlossen wird.
Ein weiteres Verfahren zur Verkapselung von PCM ist aus
DE 10 2010 025 297 AI bekannt, bei dem eine PCM-Kapsel mit einem elasti- sehen Kunststoff-Material hergestellt wird. Durch die Elastizität des Materials soll eine Ausdehnung des PCM bei Aggregatzustandsänderungen kompensiert werden. Bei dem Verfahren wird ein in ein Formwerkzeug eingelegtes kristallisiertes sphärisches PCM von einer Kapselhalbschale zur Hälfte umhüllt. Mit- tels eines Spritzgussverfahrens wird die zweite Kunststoff-Kapselhalbschale geformt und das PCM vollständig umhüllt. Die Notwendigkeit eines speziellen kristallisierten (festen) PCM-Formkörpers macht das Verfahren allerdings aufwendig und dadurch teuer. Ein wesentlicher Nachteil bekannter Lösungen zur PCM-Verkapselung besteht darin, dass eigens Entwickelte Kapselsysteme genutzt werden, die aufwendig sind und in nur kleinen Stückzahlen hergestellt werden. Hierdurch werden diese PCM-Systeme teuer, was eine breite Anwendung verhindert. Zusätzlich werden Verbundmaterialien aus Kunstoffen (Thermoplast), Metallen und PCM genutzt, aus denen eine geringe Wärmeleitfähigkeit und damit eine geringe
Be- und Entladeleistung resultiert. Für Phasenwechseltemperaturen von PCM, die im Bereich oberhalb der Schmelztemperaturen üblich verwendbarer Thermoplasten liegen, kommen vornehmlich Metallwerkstoffe als Verkapse- lungsmaterial infrage, die eine entsprechende Temperaturstabilität und auf- grund ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit auch eine hohe Be- und Entladeleistung ermöglichen.
In DE 20 2005 015 393 Ul ist eine quaderförmige metallische PCM- Verkapselung beschrieben, deren Wandungen Strukturierungen aufweisen, mit denen eine mechanische Stabilisierung erreicht werden soll. Dabei wird der Verkapselungskörper so hergestellt, dass zwei übereinander liegende Bleche randseitig miteinander verbördelt bzw. umgefalzt werden. Die vollum- fangseitige Falzung erfordert jedoch einen erhöhten fertigungstechnischen Aufwand, der folglich mit erhöhten Fertigungskosten einhergeht.
Gegenüber dem Stand der Technik besteht die erfindungsgemäße Aufgabe daher darin, eine Verkapselung für PCM vorzuschlagen, die einen sicheren Umgang mit PCM ermöglicht sowie einfach und kostengünstig herzustellen ist.
Die erfindungsgemäße Aufgabe wird mit einem Latentwärmespeicher gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie einem Verfahren zur Herstellung von Latentwärmespeichern gemäß dem Anspruch 8 gelöst. In Anspruch 15 wird eine erfindungsgemäße Verwendung angegeben. Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.
Der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher beruht auf mindestens einem Phasenwechselmaterial (PCM), das in einem durch Druckumformen oder Zugdruckumformen hergestellten Behälter aus einem Metall oder Metallverbund, der mindestens eine fluiddicht verschlossene Öffnung aufweist, eingekapselt ist. Dabei weist der Behälter eine Wanddicke im Bereich von 90 bis 300 μιη auf.
Kern der vorliegenden Erfindung ist der durch Druckumformen oder Zugdruckumformen hergestellte metallische Behälter, der infolge seines Herstellungsprozesses eine geringe Wanddicke von 90 bis 300 μιη und somit ein geringes Gewicht aufweist. Gegenüber Kunststoffen, die wesentlich geringere Wärmeleitfähigkeiten aufweisen, können durch das metallische Material des Behälters verbesserte Wärmeübergangsleistungen zwischen dem PCM und der Umgebung erreicht werden. Dabei wird ein Wärmeübergang zudem durch die geringe Wanddicke des Behälters begünstigt, so dass eine Reaktion des eingekapselten PCM infolge einer Temperaturänderung mit kleiner Zeitkonstante erfolgen kann.
Die mechanische Stabilität des Behälters kann durch eine zylindrische Formgebung erreicht werden. So ist eine Dosenform des Behälters, insbesondere mit einem Durchmesser im Bereich von 40 mm bis 70 mm und einer Längsausdehnung von 110 mm bis 180 mm, bevorzugt. Bei der zylindrischen Formgebung kann die mindestens eine Öffnung, die in den Deckflächen des zylindrischen Behälters ausgebildet sein können, mit einem Deckel fluiddicht verschraubt sein. Dabei kann ein zum Verschließen verwendeter Deckel ein selbstscheidendes Gewinde aufweisen. Bei einer anderen Variante können auch Deckel vorgesehen sein, die mit der mindestens einen Öffnung des Behälters verbördelt oder verschweißt sind.
Alternativ zur zylindrischen Form sieht eine weitere bevorzugte Ausführungsform vor, dass der Behälter in Form einer Tube realisiert ist. Der in Tubenform ausgebildete Behälter weist an seinem zylindrischen Kopfende bevorzugt einen Durchmesser im Bereich von 20 mm bis 40mm und eine Länge im Bereich von 150 mm bis 220 mm auf. Ein fluiddichter Verschluss der mindestens einen Öffnung kann durch eine Falzung des Materials des Behälters realisiert sein.
Für den Fall, dass der Behälter aus einer beidseitig offenen zylindrischen Hülse gebildet ist, kann zum Verschluss der Öffnungen einseitig eine Falzung und gegenüberliegend zum Verschließen mit einem Gewindedeckel ein Gewinde vorgesehen sein. Eine oder beide Öffnungen können jeweils auch mit einem Deckel fluiddicht verbördelt sein. Dabei ist es auch möglich, dass beide Öffnungen jeweils durch eine Falzung oder Verschweißung fluiddicht verschlossen sind. Bei den angeführten Varianten zum fluiddichten Verschluss der Öffnung des
Behälters ist es vorteilhaft, dass der fluiddichte Verschluss jeweils auf einfache Weise durch Kaltumformen, Kraft- und/oder Formschluss realisiert ist, ohne dass dabei eine Gefüge verändernde Stoffschlüssigkeit erforderlich ist.
Der Behälter weist bevorzugt ein Volumen bis zu 500 ml, besonders bevorzugt von bis zu 350 ml auf.
Das mindestens eine eingekapselte PCM kann eine Phasenwechseltemperatur im Bereich von -50 °C bis 400 °C, vorzugsweise in einem Bereich von 6 °C bis 350°C aufweisen. So können für die vorliegende Erfindung als PCM bevorzugt zumindest ein Paraffin, eine Fettsäure, ein Salzhydrat, ein Alkohol, ein Salz oder eine Mischung daraus eingesetzt werden.
Für den Einsatz der PCMs, die eine Phasenwechseltemperatur oberhalb von 300 °C aufweisen, sollte der Behälter aus einem Metall- oder Metallverbundmaterial gebildet sein, das vorzugsweise ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Stahlblech, zinnbeschichtetes Stahlblech, Edelstahl oder Verbunden hiervon. Bevorzugt weist das Metall- oder Metallverbundmaterial eine Temperaturstabilität bis zu einer Temperatur von 200 °C, bevorzugt 400 °C und besonders bevorzugt 600 °C auf.
Ferner kann zumindest die innere Oberfläche des Behälters zumindest bereichsweise eine Beschichtung mit Antikorrosions- und/oder Antihaftungsei- genschaften aufweisen, so dass der Behälter gegen korrosiven Verschleiß geschützt ist, der durch das PCM hervorgerufen werden kann. Für den Fall, dass die Latentwärmespeicher in mit einer Wärmeüberträgerflüssigkeit umströmt ist, ist es ferner von Vorteil, wenn auch die äußere Oberfläche des Behälters eine Beschichtung mit Antikorrosions- und/oder Antihaftungseigenschaften aufweist. Eine solche Beschichtung kann aus Epoxidharz,
Polytetrafluorethylen (PTFE) oder aus einem keramischen Material gebildet sein.
Für den Fall, dass zum fluiddichten Verschluss der Öffnung/en des Behälters ein Deckel vorgesehen ist, sollte dieser vornehmlich ebenfalls aus dem Behältermaterial gebildet sein und eine Materialdicke kleiner gleich 300 μιη aufweisen. Dabei sollte auch zumindest die dem Inneren des Behälters zugewandte Deckelseite mit der genannten Beschichtung versehen sein.
Entsprechend den Phasenwechseleigenschaften des verwendeten PCM kann es vorgesehen sein, dass der fluiddicht verschlossene Behälter mit dem darin eingekapselten PCM einen mit einem Gas gefüllten Freiraum aufweist, der zur Kompensation von Volumenausdehnungen bei Aggregatzustandsänderungen (fest/flüssig, flüssig/fest) des PCM dient.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung von
Latentwärmespeichern wird so vorgegangen, dass aus einem platten- oder bandförmigen Metall- oder Metallverbundmaterial mittels Druckumformen oder Zugdruckumformen zunächst ein Behälter mit mindestens einer Öffnung und einer Wanddicke im Bereich von 90 μιη bis 300 μιη gebildet wird. Das Umformen des platten- oder bandförmigen Metall- oder Metallverbundmaterials kann dabei durch Tiefziehen oder Fließpressen - Verfahren die aus dem Stand der Technik hinreichend bekannt sind - erreicht werden. Vorzugsweise kann das Umformen des platten- oder bandförmigen Metall- oder Metallverbundmaterials durch Abstrecktiefziehen erreicht werden, wobei zylindrische Behälter gebildet werden, deren Deckfläche gegenüber der Mantelfläche eine größere Wanddicke aufweisen. Das Umformen durch Abstrecktiefziehen ist ebenfalls Stand der Technik und wird insbesondere bei der Herstellung von Getränkedosen eingesetzt. Der so hergestellte Behälter wird anschließend durch die Öffnung/en mit mindestens einem PCM befüllt. Abschließend wird/werden die Öffnung/en des Behälters fluiddicht verschlossen.
Zum Formen des Behälters kann ein platten- oder bandförmiges Metall- oder Metallverbundmaterial eingesetzt werden, das bevorzugt ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus: Aluminium, Stahl, zinnbeschichtetes Stahlblech (Weißblech), Edelstahl. Dabei ist es bevorzugt, dass ein platten- oder bandförmiges Metall- oder Metallverbundmaterial eingesetzt wird, das zumindest auf der die innere Oberfläche des Behälters bildenden Seite eine Beschichtung mit Antikorrosions- und/oder Antihaftungseigenschaften, insbesondere aus Epoxidharz, Polytetrafluorethylen (PTFE), einem keramischen Material oder Kombinationen hiervon, aufweist, so dass die gebildete Innenseite des Behälters vor korrosiven Verschleiß durch des verwendete PCM geschützt werden kann. Alternativ kann die Beschichtung auch nach dem Fertigungsprozess des Behälters als Zwischenschritt durchgeführt werden, bevor das PCM eingefüllt wird Der Zwischenschritt zur Beschichtung der Behälterinnenwand kann weitere Verfahrensschritte, wie beispielsweise einen Trocknungsschritt erforderlich machen.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist besonders günstig, dass zum Formen des Verkapslungsbehälters auf bereits etablierte Verfahren (Tiefziehen, Abstrecktiefziehen oder Fließpressen) zurückgegriffen werden kann, ohne dass ein konstruktiver Entwicklungsaufwand für spezielle Vorrichtungen notwendig ist.
Das fluiddichte Verschließen der mindestens einen Öffnung des Behälters kann durch Verschrauben mit einem Deckel, durch Verbördelung mit einem Deckel, durch Verschweißen und/oder durch eine Falzung des Materials des Behälters erreicht werden. Insbesondere das Verschließen der Öffnung durch eine Falzung des Materials des Behälters kann einfach und kostengünstig realisiert werden, da keine weiteren Teile (Deckel) notwendig, um die Verkapse- lung abzuschließen. Dabei ist es möglich, die wesentlichen Verfahrensschritte - Formen des Behälters, Füllen des Behälters mit PCM und Verschließen der Öffnung/en des Behälters - in einem Zug durchzuführen. Auf diese Weise können große Stückzahlen des gekapselten PCM mit hoher Geschwindigkeit hergestellt werden.
Bei einer Ausführungsvariante kann es vorgesehen sein, dass zum verschraubenden Verschließen der Öffnungen Gewindedeckel eingesetzt werden. Dadurch kann sowohl ein Formschluss als auch Kraftschluss zwischen Deckel und Behälter erreicht werden. Verwendete Deckel sollten vorzugsweise aus dem Behältermaterial gebildet sein und eine Wanddicke aufweisen die im Bereich von 90 μιη bis 300 μιη liegt.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren ist es ferner vorteilhaft, dass bei den vorgeschlagenen Verschlussvarianten ein fluiddichter Verschluss der Öff- nung/en des Behälters durch Kaltumformen (Falzen) bzw. Verschrauben erreicht werden kann, ohne das der Einsatz eines Dichtmaterial notwendig ist.
Um dem PCM nach dem fluiddichten Verschließen der Öffnung/en des Behälters bei einem Phasenwechsel genügend Raum für eine Ausdehnung zu geben, wird der Behälter nur zu 80 % bis 95% seines verfügbaren Volumens mit dem PCM befüllt, so dass im geschlossenem Behälter ein mit einem Gas gefüllter Freiraum gebildet wird.
Zum vereinfachten Befüllen des Behälters mit dem PCM kann es von Vorteil sein, wenn ein PCM eingesetzt wird, das rieselfähig oder flüssig ist. Dadurch kann eine vereinfachte Applikation und Dosierung, beispielsweise durch einen Applikator erreicht werden.
Alternativ kann beim Befüllen des Behälters mit PCM und beim Verschließen des Behälters eine Umgebungstemperatur und/oder eine Temperatur des Behälters eingehalten werden, bei der das PCM einen fließfähigen Aggregatzustand aufweist, um ein optimales Befüllen und Dosieren zu erreichen.
Es sollte ferner darauf geachtet werden, dass beim Verschließen des Behälters eine Temperatur unterhalb der Rekristallisationstemperatur des verwendeten Behältermaterials eingehalten wird. Mit dem erfindungsgemäßen Verfahren können PCM verkapselt werden, die eine Phasenwechseltemperatur in einem Temperaturbereich von -50 °C bis 400 °C, bevorzugt in einem Temperaturbereich von 6°C bis 300°C aufweisen. Zur Verkapselung können bevorzugt PCM eingesetzt werden: Paraffin, Alkohole, Polymere, Salzhydrate, Salze.
Erfindungsgemäß wird ebenso die Verwendung von einem durch Druckumformen oder Zugdruckumformen hergestellten Behälter aus einem Metall oder einem Metallverbund mit mindestens einer fluiddicht verschließbaren Öffnung zur Einkapselung eines Phasenwechselmaterials bereitgestellt. Hierbei ist es bevorzugt, dass das Metall- oder Metallverbundmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Stahlblech, zinnbeschichtetes Stahlblech, Edelstahl oder Verbunden hiervon, wobei das Metall- oder Metallverbundmaterial vorzugsweise bis zu einer Temperatur von 200 °C, bevorzugt 400 °C und besonders bevorzugt 600 °C temperaturstabil ist.
Eine weitere bevorzugte Ausführungsform sieht vor, dass die innere und/oder Oberfläche des Behälters zumindest bereichsweise eine Beschichtung mit An- tikorrosions- und/oder Antihaftungseigenschaften, insbesondere aus Epoxidharz, Polytetrafluorethylen (PTFE), einem keramischen Material oder Kombinationen hiervon, aufweist.
Die mindestens eine Öffnung des Behälters ist vorzugsweise mit einem Deckel fluiddicht verschraub- oder verbördelbar und/oder durch eine Falzung des Materials des Behälters fluiddicht verschließbar.
Nachstehend ist der erfindungsgemäße Latentwärmespeicher unter Bezug- nähme auf bevorzugte Ausführungsformen im Detail erläutert.
Es zeigen:
Figuren la und lb: ein Ausführungsbeispiel eines Latentwärmespeichers in
Tubenform,
Figuren 2a bis 2d: verschiedene Ansichten eines Ausführungsbeispiels eines dosenförmigen Behälters zur Verkapselung von PCM
Figur 3: eine Ausführungsform eines flaschenförmig ausgebildeten Behälters mit Gewindeöffnung
Die Figuren la und lb zeigen in zwei verschiedenen Ansichten (Figur lb in Teilansicht) einen durch Druckumformen oder Zugdruckumformen hergestellten Latentwärmespeicher, der in tubenform ausgebildet ist und eine Füllung mit einem PCM aufweist. Der Behälter 1 ist aus antikorrosionsbeschichtetem Aluminium gebildet und weist eine Wanddicke von 90 μιη auf. Ferner ist der Behälter an zwei Öffnungen fluiddicht verschlossen, wobei der Verschluss auf der zylindrischen Seite mit einem Gewindedeckel 3 aus Aluminium und auf der gegenüberliegenden Seite durch eine Falzung 2 des Behältermaterials realisiert ist. Die Figuren 2a bis 2d zeigen in verschiedenen Ansichten/Teilansichten ein
Ausführungsbeispiel eines dosenförmigen Behälters zur Verkapselung von PCM. Mit dem Bezugszeichen 4 sind dabei jeweils Bördelkanten gekennzeichnet, an der der metallische Behälter mit einem wie in Figur 2c teilweise dargestellten Deckel 5 durch Verbördelung fluiddicht verschließbar ist. Vorliegend handelt es sich um einen Behälter aus Aluminium mit einer Wanddicke von
100 μιη.
Der in Figur 2 dargestellte Behälter ist in Flaschenform ausgebildet, wobei eine Öffnung ein Gewinde für einen Schraubverschluss aufweist.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines
Latentwärmespeichers wird so vorgegangen, dass aus einem platten- oder bandförmigen Metall- oder Metallverbundmaterial mittels Druckumformen oder Zugdruckumformen ein Behälter mit mindestens einer Öffnung und einer Wanddicke im Bereich von 90 μιη bis 300 μιη gebildet wird.
Für den Herstellungsprozess wird beispielsweise ein Weißblech- oder Aluminiumband mit einem Abstreckmittel (Schmiermittel) benetzt und passende Scheiben ausgeschnitten bzw. ausgestanzt, aus denen dann der Korpus (Behälter) gezogen wird. Zuerst entsteht ein flacher Napf, der in der
Abstreckmaschine über einem Stößel durch mehrere, zunehmend engere Abziehringe geschoben wird, bis die gewünschte Wanddicke erreicht ist. Dabei verformt sich der Napf zu einer immer längeren und dünnwandigeren Behälterform. Am Ende des Abstreckvorganges wird durch einen Stempel der Boden geformt. Anschließend wird Materialüberstand entfernt. Im weiteren Ver- fahrensablauf kann ein Waschschritt vorgesehen sein, um das Abstreckmittel zu entfernen.
Weiterhin können vor einer Befüllung des Behälters mit PCM weitere Zwischenschritte vorgesehen sein, um den Behälter innen und/oder außen mit Antihaft- und/oder Antikorrosionsbeschichtungen zu versehen. Im Anschluss daran wird der Behälter durch die mindestens eine Öffnung mit mindestens einem PCM befüllt. Dabei wird ein fließfähiges PCM eingesetzt, wobei die Umgebungstemperatur bei der Befüllung und die Temperatur des gebildeten Behälters konstant gehalten, um die Fließfähigkeit des PCM zu ge- währleisten.
Abschließend wird die Öffnung durch eine Falzung oder Verschweißung des Behältermaterials fluiddicht verschlossen.

Claims

FRAUNHOFER-GESELLSCHAFT...e.V. 159PCT 2243 Patentansprüche
Latentwärmespeicher enthaltend mindestens ein Phasenwechselmate rial (PCM), das in einem durch Druckumformen oder Zugdruckumformen hergestellten Behälter aus einem Metall oder einem Metallverbund mit mindestens einer fluiddicht verschließbaren Öffnung eingekapselt ist, wobei der Behälter eine Wanddicke im Bereich von 90 bis 300 μιη aufweist.
2. Latentwärmespeicher nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter eine Dosenform oder eine Tubenform aufweist.
Latentwärmespeicher nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter ein Volumen kleiner als
500 ml, bevorzugt kleiner 350 ml besitzt.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall- oder Metallverbundmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Stahlblech, zinnbeschichtetes Stahlblech, Edelstahl oder Verbunden hiervon.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Metall- oder Metallverbundmaterial bis zu einer Temperatur von 200 °C, bevorzugt 400 °C und besonders bevorzugt 600 °C temperaturstabil ist.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass die innere und/oder Oberfläche des Behälters zumindest bereichsweise eine Beschichtung mit Antikorrosions- und/oder Antihaftungseigenschaften, insbesondere aus Epoxidharz, Polytetrafluorethylen (PTFE), einem keramischen Material oder Kombinationen hiervon, aufweist.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung des Behäl ters mit einem Deckel fluiddicht verschraub- oder verbördelbar, verschweißbar und/oder durch eine Falzung des Materials des Behälters fluiddicht verschließbar ist.
Latentwärmespeicher nach einem der Ansprüche 1 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Phasenwechselma- terial eine Phasenwechseltemperatur in einem Temperaturbereich von -50 °C bis 400 °C aufweist und insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Paraffine, Fettsäuren, Salzhydrate, Alkohole, Salz oder Mischungen daraus.
Verfahren zur Herstellung eines Latentwärmespeichers, bei dem aus einem platten- oder bandförmigen Metall- oder Metallverbundmaterial mittels Druckumformen oder Zugdruckumformen ein Behälter mit mindestens einer Öffnung und einer Wanddicke im Bereich von 90 μιη bis 300 μιη gebildet wird, der Behälter durch die mindestens eine Öffnung mit mindestens einem Phasenwechselmaterial (PCM) befüllt wird; und die mindestens eine Öffnung anschließend fluiddicht verschlossen wird.
Verfahren nach Anspruch 9,
dadurch gekennzeichnet, dass der Behälter durch Tiefziehen, bevorzugt Abstrecktiefziehen oder durch ein Fließpressverfahren gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung des Behälters mit einem Deckel verschraubt, verbördelt, verschweißt und/oder durch eine Falzung des Materials des Behälters fluiddicht verschlossen wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 11,
dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Phasenwechselma- terial eine Phasenwechseltemperatur in einem Temperaturbereich von -50 °C bis 400 °C aufweist und insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Paraffine, Fettsäuren, Salzhydrate, Alkohole, Salz oder Mischungen daraus.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12,
dadurch gekennzeichnet, dass ein platten- oder bandförmiges Metalloder Metallverbundmaterial eingesetzt wird, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Stahlblech, zinnbeschichtetes Stahlblech, Edelstahl oder Verbunden hiervon.
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
dadurch gekennzeichnet, dass ein platten- oder bandförmiges Metalloder Metallverbundmaterial eingesetzt wird, das zumindest auf der die innere Oberfläche des Behälters bildenden Seite eine Beschichtung mit Antikorrosions- und/oder Antihaftungseigenschaften, insbesondere aus Epoxidharz, Polytetrafluorethylen (PTFE), einem keramischen Material oder Kombinationen hiervon, aufweist. 4
Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14,
dadurch gekennzeichnet, dass als Phasenwechselmaterial zumindest ein Paraffin, eine Fettsäure, ein Salzhydrat, ein Alkohol, ein Salz oder eine Mischung daraus eingesetzt wird.
Verwendung von einem durch Druckumformen oder Zugdruckumformen hergestellten Behälter aus einem Metall oder einem Metallverbund mit mindestens einer fluiddicht verschließbaren Öffnung zur Ein- kapselung eines Phasenwechselmaterials.
Verwendung nach Anspruch 16,
dadurch gekennzeichnet, dass das Metall- oder Metallverbundmaterial ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Aluminium, Stahlblech, zinnbeschichtetes Stahlblech, Edelstahl oder Verbunden hiervon, wobei das Metall- oder Metallverbundmaterial vorzugsweise bis zu einer Temperatur von 200 °C, bevorzugt 400 °C und besonders bevorzugt 600 °C temperaturstabil ist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 16 oder 17,
dadurch gekennzeichnet, dass die innere und/oder Oberfläche des Behälters zumindest bereichsweise eine Beschichtung mit Antikorrosions- und/oder Antihaftungseigenschaften, insbesondere aus Epoxidharz, Polytetrafluorethylen (PTFE), einem keramischen Material oder Kombinationen hiervon, aufweist.
Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 18,
dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Öffnung des Behälters mit einem Deckel fluiddicht verschraub- oder verbördelbar, verschweißbar und/oder durch eine Falzung des Materials des Behälters fluiddicht verschließbar ist. 5
20. Verwendung nach einem der Ansprüche 16 bis 19,
dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine Phasenwechselma- terial eine Phasenwechseltemperatur in einem Temperaturbereich von -50 °C bis 400 °C aufweist und insbesondere ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Paraffine, Fettsäuren, Salzhydrate, Alkohole,
Salz oder Mischungen daraus.
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