DE102011053308A1 - Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung und daraus hergestelltes Latentwärmespeicherelement; Verfahren zur Herstellung eines Latentwärmespeicherelements und Verfahren zur Konditionierung eines Mediums mittels des Latentwärmespeicherelements - Google Patents
Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung und daraus hergestelltes Latentwärmespeicherelement; Verfahren zur Herstellung eines Latentwärmespeicherelements und Verfahren zur Konditionierung eines Mediums mittels des Latentwärmespeicherelements Download PDFInfo
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft eine Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung, umfassend ein Phasenwechselmaterial und wenigstens ein Additiv. Aus dieser Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung kann ein Latentwärmespeicherelement hergestellt werden. Die Erfindung betrifft ferner ein solches Latentwärmespeicherelement und mögliche Verfahren zu seiner Herstellung. Darüber hinaus betrifft die Erfindung ein Verfahren zur direkten Konditionierung eines Mediums unter Verwendung des Latentwärmespeicherelements.
- Bei der Speicherung von Wärme besteht ein Ansatz darin, geeignete Latentwärmespeicher einzusetzen, die durch Ausnutzung der Energie ΔH z.B. bei der Fest/Flüssig-Phasenumwandlung eine sehr hohe Speicherkapazität pro Volumen aufweisen. Ferner ist die Temperatur während des Phasenwechsels konstant. Die dabei typischerweise verwendeten Speichermaterialien wie Wasser, Salzhydrate oder Paraffin werden auch als PCM (Phase Change Material) bezeichnet.
- Ein grundsätzliches Problem ist jedoch die unzureichende Wärmeleitfähigkeit aller eingesetzten Speichermaterialien (z.B. Wasser 0,6 W/(m K), Paraffine 0,2 W/(m K), Salzhydrate 0,5 W/m K), da die erreichbare Wärmestromdichte proportional zur Quadratwurzel der Wärmeleitfähigkeit λ Ist. Soll also ein gegebener Wärmestrom übertragen werden, sind aufgrund der geringen Wärmeleitfähigkeit der Speichermaterialien sehr große Wärmeübertragungsflächen erforderlich.
- Durch jüngste Erfolge auf dem Gebiet der Materialforschung und -entwicklung konnte die Wärmeleitfähigkeit von PCMs zwar deutlich gesteigert werden, wobei beispielhaft die
EP 1 598 406 A1 zu nennen ist. In der Praxis ist sie aber weiterhin begrenzt auf eine Größenordnung von ca. 3–5 W/(m K). Auf dieser Technologie basierende Wärmespeichersysteme, wie sie beispielsweise die beschreibt, sind also weiterhin auf kleine Wärmeströme begrenzt bzw. benötigen andernfalls sehr große Wärmeübertragungsflächen.WO 2006/034829 A1 - Einen anderen Ansatz offenbart die
, bei der das Latentwärmespeichermaterial direkt vom Wärmetransportmedium umströmt wird. Hierfür eignen sich grundsätzlich alle Formen von mikro- oder makroverkapseltem PCMs. Derartige PCMs werden beispielsweise in derWO 01/38453 A1 DE 10 2008 004 485 A1 , undWO 2006/077056 A1 DE 10 2009 032 918 A1 beschrieben. Aufgrund der Kosten einer zusätzlichen Verkapselung werden jedoch bevorzugt gebundene PCMs eingesetzt, wie sie in derDE 103 06 939 A1 oder beschrieben werden.WO 2009/118344 A1 - Der Vorteil dieser mikro- oder makroverkapseltem PCMs ist die systembedingte große Wärmeübertragerfläche (= spezifische Oberfläche), wodurch sich große Wärmemengen kostengünstig übertragen lassen. In der großen spezifischen Oberfläche liegt jedoch auch der entscheidende Nachteil, der einer Umsetzung in die Praxis in hygienisch anspruchsvollen Anwendungen bislang entgegenstand.
- Beispielsweise offenbart die
DE 197 56 006 A1 zwar, dass Latentwärmespeicher direkt in den Durchflussspeicher eines zu temperierenden Mediums eingebracht werden können und dort durch Rückhaltevorrichtungen in dem dafür vorgesehenen Bereich fixiert werden. Bei den Latentwärmespeichern handelt es sich um kunststoffumhüllte Paraffinpellets und bei dem zu temperierenden Medium um Brauch- bzw. Trinkwasser. - Abhängig von den jeweiligen Randbedingungen bildet sich jedoch über kurz oder lang bei Vorhandensein von Wasser und/oder Luftfeuchtigkeit ein Biofilm auf der Oberfläche der PCMs, der nur in den seltensten Fällen wieder vollständig entfernt werden kann. Dies bedeutet jedoch, dass eine der wesentlichen Forderungen der Lebensmittelindustrie, nämlich die CIP-Fähigkeit (cleaning-in-place), nicht gegeben ist.
- Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung bereitzustellen, welche bei Einsatz als Latentwärmespeicher die Bildung eines Biofilms auf der Oberfläche der Latentwärmespeicher verhindert. Die Bildung eines Biofilms soll somit insbesondere bei direktem Kontakt zwischen dem Latentwärmespeicher und dem zu konditionierenden Medium verhindert werden.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch eine Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung gemäß dem unabhängigen Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung ergeben sich aus den Unteransprüchen 2–4. Ferner wird die Aufgabe durch Verfahren zur Herstellung eines Latentwärmespeicherelements gemäß den Ansprüchen 5–8 gelöst. Von der Erfindung umfasst sind ferner ein Latentwärmespeicherelement gemäß dem Anspruch 9 und ein Verfahren zur Konditionierung eines Mediums mit einem solchen Latentwärmespeicherelement gemäß dem Anspruch 10.
- Die erfindungsgemäße Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung umfasst ein Phasenwechselmaterial und wenigstens ein Additiv, wobei das Additiv eine antimikrobielle Wirkung hat. Dabei muss das als Additiv verwendete antimikrobielle Mittel jedoch nicht direkt mit dem Phasenwechselmaterial (PCM) vermischt sein, sondern von der Erfindung umfasst sind auch Ausführungsformen, bei denen das PCM verkapselt ist und das antimikrobielle Mittel als Beschichtung auf der Verkapselung angebracht ist und/oder das antimikrobielle Mittel in das Material der Ummantelung für die Verkapselung eingebracht ist. Auch ein derartiger Aufbau ist als Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung im Sinne der Erfindung anzusehen.
- Von der Erfindung umfasst ist auch ein Latentwärmespeicherelement, das direkt oder indirekt aus einer solchen Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung hergestellt wurde.
- Das antimikrobielle Mittel kann beispielsweise ein Metall sein, wobei sich Silber aufgrund seiner antimikrobiellen Wirkung als vorteilhaft erwiesen hat, da es dazu geeignet ist, kontinuierlich Silberionen freizusetzen. Durch die Silberionen können Bakterien zerstört werden, wobei die Silberionen Enzyme blockieren, die für den bakteriellen Stoffwechsel erforderlich sind. Dabei hat sich die antibakterielle Wirkung von Silber bereits bei Werkstoffen und Beschichtungen aus anderen Anwendungsgebieten wie der Medizin und Textilindustrie als geeignet erwiesen. Doch auch andere Metalle wie Kupfer können als antimikrobielles Additiv eingesetzt werden.
- Als Phasenwechselmaterial wird in einem bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung Paraffin eingesetzt. Es können jedoch auch Phasenwechselmaterialien auf der Basis von Wasser und/oder Salzhydraten eingesetzt werden.
- Vorzugsweise ist das Phasenwechselmaterial der erfindungsgemäßen Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung polymergebunden, so dass das PCM in eine Polymermatrix eingebracht wird. Dabei wird bei einem Verfahren zur Herstellung von Latentwärmespeicherelementen aus einer solchen polymergebundenen Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung beispielsweise ein Polymer zuerst mit dem Phasenwechselmaterial als Additiv versehen. Die daraus gebildeten Latentwärmespeicherelemente können dann mit dem antimikrobiellen Mittel beschichtet werden. Beispielsweise können so pellet- oder plattenförmige Phasenwechselelemente hergestellt werden, die als Latentwärmespeicher in direkten Kontakt mit hygienisch sensiblen Medien gebracht werden können. Durch die Beschichtung der polymergebundenen PCMs mit dem antimikrobiellen Mittel wird die Bildung eines Biofilms auf den Latentwärmespeichern verhindert.
- In einem weiteren Ausführungsbeispiel der Erfindung ist keine Beschichtung mit einem antimikrobiellen Mittel vorgesehen, sondern das Additiv wird direkt in die Zusammensetzung eingebracht. Dabei wird beispielsweise bei einem Verfahren zur Herstellung von Latentwärmespeicherelementen aus einer polymergebundenen Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung ein Polymer mit dem Phasenwechselmaterial und dem antimikrobiellen Mittel als Additive vermischt wird. Aus dieser Zusammensetzung können dann Latentwärmespeicherelemente gebildet werden, wobei es sich ebenfalls um Pellets, aber auch um Platten oder anderweitig geformte Bauelemente handeln kann. Das antimikrobielle Mittel wird somit bereits in die Phasenwechselmaterial-Polymer-Zusammensetzung eingebracht, bevor daraus ein Latentwärmespeicherelement gebildet wird. Das eingebrachte Silber kann dann kontinuierlich Silberionen an die Oberfläche des Latentwärmespeicherelements freisetzen und so die Bildung eines Biofilms auf der Oberfläche verhindern.
- Diese Ausführungsform kann gegenüber der Beschichtung von Latentwärmespeicherelementen mit einem antimikrobiellen Mittel von Vorteil sein, wenn sich eine Beschichtung in der jeweiligen Anwendung ansonsten von der Oberfläche des Latentwärmespeicherelements ablösen könnte. Die Einbringung des antimikrobiellen Mittels als Additiv in die polymergebundene Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung hat dagegen den Vorteil, dass das antimikrobielle Mittel beim Herstellungsprozess zusammen mit anderen Additiven in dem Polymer gebunden werden kann und die resultierende Zusammensetzung als Basismaterial für die Herstellung beliebig geformter Latentwärmespeicher dienen kann.
- Um das antimikrobielle Mittel in das polymergebundene PCM einzubringen, kann das Phasenwechselmaterial beispielsweise zusammen mit einem Polymer und dem antimikrobiellen Mittel in einen Extruder eingebracht werden. Der Extruder formt aus der Mischung einen Strang, welcher anschließend granuliert werden kann. Das entstehende Granulat dient dann als Basismaterial, aus dem Latentwärmespeicherelemente geformt werden.
- In einem alternativen Verfahren zur Herstellung von Latentwärmespeicherelementen mittels der erfindungsgemäßen Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung wird das Phasenwechselmaterial mit dem antimikrobiellen Additiv versehen, und beide Komponenten werden durch eine Ummantelung verkapselt. Alternativ oder ergänzend ist es auch möglich, das antimikrobielle Additiv in das Material einer Ummantelung einzubringen, mit der das Phasenwechselmaterial anschließend verkapselt wird. In beiden Fällen können aus dem so verkapselten Phasenwechselmaterial mit dem Additiv anschließend entsprechend ausgeformte Latentwärmespeicherelemente gebildet werden.
- Ein so hergestelltes Latentwärmespeicherelement kann erfindungsgemäß in hygienisch sensiblen Bereichen zur Konditionierung eines Mediums wie z.B. Trinkwasser oder Kühlluft eingesetzt werden, wobei das zu konditionierende Medium in direkten Kontakt zu dem Latentwärmespeicherelement gebracht wird. Beispielsweise wird wenigstens ein Latentwärmespeicherelement von dem Medium umströmt. Durch das antimikrobielle Mittel wird die Bildung eines Biofilms auf der Oberfläche des wenigstens einen Latentwärmespeicherelements verhindert, so dass das zu konditionierende Medium nicht durch Keime, Pilze, Bakterien, etc. kontaminiert wird. Es ist somit auch bei der Reinigung z.B. einer Kühlanlage keine Entfernung eines Biofilms von einem oder mehreren Latentwärmespeicherelementen erforderlich, die gegebenenfalls schwer bzw. nur durch eine Zerlegung der Anlage zu erreichen wären. Hierdurch ist eine ausreichende Reinigung vor Ort möglich, was die zugehörige Anlage CIP-fähig macht.
- Die Erfindung nutzt somit die Vorteile von Phasenwechselmaterialien und insbesondere von polymergebundenen Phasenwechselmaterialien bei der Wärmespeicherung und macht diese für den Einsatz in hygienisch sensiblen Bereichen anwendbar. Aber auch in hygienisch weniger anspruchsvollen Bereichen kann die Erfindung vorteilhaft eingesetzt werden, da sich durch Biofouling in einem Medium Verklumpungen bilden können, die eine Kanalbildung bewirken. Dadurch werden Latentwärmespeicher gegebenenfalls nicht gleichmäßig um- bzw. durchströmt, was die Wärmeübertragung negativ beeinflusst.
- Bei der Anwendung der Erfindung kommen somit grundsätzlich alle Prozesse in Frage, bei denen insbesondere eine hohe Temperaturstabilität von Bedeutung ist bzw. große Wärmemengen ein- und/oder ausgespeichert werden sollen. Insbesondere eine schnelle Ein- und/oder Ausspeicherung von Wärme ist hierbei möglich. Besonders interessant ist dies auch für Prozesse, bei denen darüber hinaus die Phasengrenzfläche auch für die Stoffübertragung von Bedeutung ist, wie es beispielsweise beim Mischen, Trennen, Homogenisieren und Be-/Entgasen der Fall ist.
- Insbesondere kann die erfindungsgemäße Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung zur Herstellung von Latentwärmespeicherelementen in Pelletform verwendet werden. Ein Bett bzw. eine Schüttung aus derartigen Pellets kann dann von einem zu konditionierenden Medium wie Trinkwasser oder einem Getränk direkt durchflossen werden, um es beispielsweise für den Verzehr zu kühlen.
- Auch als Innenwandung von Haushaltskühlgeräten könnte ein aus der erfindungsgemäßen Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung hergestellter Latentwärmespeicher eingesetzt werden, wobei beispielsweise (Umluft-)Kältespeicher in Kühlgeräten/-vitrinen in Frage kommen. Dabei könnte ein Latentwärmespeicher insbesondere bei der Kühlung und Karbonisierung von Trinkwasser in einem Haushaltskühlgerät eingesetzt werden.
- Weitere Vorteile, Besonderheiten und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Darstellung bevorzugter Ausführungsbeispiele.
- Erfindungsgemäß wird ein verkapseltes oder gebundenes PCMs vorgeschlagen, das mit einem antimikrobiellen Additiv versehen ist. Dieses antimikrobielle Mittel kann entweder als Schicht auf einem verkapselten PCM aufgebracht werden oder zusammen mit dem PCM in einer Zusammensetzung gebunden werden. Als entsprechendes Additiv kann beispielsweise das Mittel Agion® zum Einsatz kommen, das Silber als antimikrobielles Metall einsetzt und sich in der Praxis bereits als antimikrobielles Mittel beispielsweise für Textilien, medizinische Geräte, Haushaltsoberflächen, etc. bewährt hat.
- Vorzugsweise ist das Phasenwechselmaterial polymergebunden, wobei die Zusammensetzung ausschwitzarm oder sogar ausschwitzfrei ist, um ein „Ausschwitzen“ des Phasenwechselmaterials aus der Polymermatrix zu verhindern. Zur Einbringung eines Phasenwechselmaterials wie Paraffin in das Polymer wird vorzugsweise ein Extruderverfahren eingesetzt, wie es beispielsweise in der
DE 10 2008 015 782 A1 beschrieben ist. Das verwendete Polymer wird dabei in einen Schneckenextruder eingeführt und das Phasenwechselmaterial in verflüssigter Form ebenfalls in den Extruder eingebracht, wobei die Einbringung des Phasenwechselmaterials in Extrusionsrichtung nach dem Polymer erfolgt. So hat bereits eine erste Knetwirkung auf das Polymer stattgefunden, bevor das flüssige Phasenwechselmaterial hinzugemischt wird. - Ferner wird das Phasenwechselmaterial bei relativ hoher Temperatur in den Extruder eingebracht, wobei die Temperatur des Phasenwechselmaterials 20° bis 70°oberhalb der Schmelztemperatur des Phasenwechselmaterials liegt. Aufgrund der hohen Temperatur des Phasenwechselmaterials sind gute fluidische Eigenschaften des Phasenwechselmaterials gegeben, was eine gute Vermischung der beiden Komponenten ermöglicht. Auch die Temperatur des Extruders wird vorzugsweise so eingestellt, dass sie oberhalb der Einspeisungstemperatur des Phasenwechselmaterials liegt.
- Als Polymermaterial können beispielsweise LDPE (Low Density Polyethylen), HDPE (High Density Polyethylen), LLDPE (Linear Low-Density Polyethylen), Polymethyl-Methacrylat oder andere Polymere verwendet werden, die sich für ein Extruderverfahren, wie es beispielhaft in der
DE 10 2008 015 782 A1 beschrieben wird, bereits als geeignet erwiesen haben. Weiterhin ist es bereits bekannt, Additive wie Carbon-Nanotubes ebenfalls in den Extruder und damit in die Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung einzubringen. Erfindungsgemäß wird nun als Additiv ein antimikrobielles Mittel in den Extruder eingebracht, wobei die Einbringung gleichzeitig mit dem Phasenwechselmaterial oder danach erfolgen kann. - Das antimikrobielle Mittel ist für die Einbringung in die Zusammensetzung vorzugsweise mikro- oder nanoverkapselt. Dabei werden kleine Portionen des Mittels mit einer polymeren und/oder anorganischen Schale umhüllt. Die Kapseln sind sphärisch ausgeformt und ihre Größe kann für Mikrokapseln in der Größenordnung von 1–5000 m oder für Nanokapseln darunter liegen. Dabei ist die Schale an das gewählte antimikrobielle Mittel und das verwendete Polymer angepasst.
- Die Zusammensetzung wird in dem Extruder vermischt, der daraus einen Strang formt. Dieser Strang kann granuliert werden, um aus dem Granulat als Basisstoff Latentwärmespeicherelemente beliebiger Form herzustellen. Beispielsweise kann das Granulat in Kunststoffspritzverfahren verwendet werden. Bei den Polymer-gebundenen PCMs kommt vorzugsweise eine kugelähnliche Form der Latentwärmespeicherelemente in Betracht, wie sie durch Pellets gegeben ist.
- Bevorzugt wird ein hoher Massenanteil an PCM in der Zusammensetzung, der etwa 60–90% beträgt. Für Anwendungen, bei denen andere Produkteigenschaften wie beispielsweise die Formstabilität im Vordergrund stehen, ist es jedoch auch möglich, dass das PCM einen deutlich geringeren Prozentsatz ausmacht und lediglich als Additiv vorhanden ist. Auch der Massenanteil des antimikrobiellen Mittels kann an die jeweilige Anwendung angepasst werden. Auf jeden Fall muss die antimikrobielle Wirkung des Mittels in der Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung erhalten bleiben und die Dosierung wird so gewählt, dass die Oberfläche des daraus hergestellten Latentwärmespeichers über lange Zeit antimikrobiell wirksam ist.
- Neben gebundenen PCM können auch verkapselte PCM eingesetzt werden, bei denen das Phasenwechselmaterial von einer Hülle im Mikro- oder Nanobereich ummantelt ist. Hierbei kann das antimikrobielle Mittel zusammen mit dem Phasenwechselmaterial umhüllt werden. Es ist jedoch auch möglich, das antimikrobielle Mittel in das Material der Umhüllung einzubringen, wodurch es näher an der Oberfläche des verkapselten PCM angeordnet ist. Auch bei verkapselten PCM ist die Art und Dosierung des antimikrobiellen Mittels an die Umhüllung anzupassen, um eine dauerhafte antimikrobielle Wirkung der Oberfläche eines so gebildeten Latentwärmespeichers zu gewährleisten.
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- WO 2009/118344 A1 [0005]
- DE 19756006 A1 [0007]
- DE 102008015782 A1 [0027, 0029]
Claims (10)
- Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung, umfassend ein Phasenwechselmaterial und wenigstens ein Additiv, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv eine antimikrobielle Wirkung hat.
- Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Additiv mit antimikrobieller Wirkung Silber umfasst.
- Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial Paraffin ist.
- Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial polymergebunden ist.
- Verfahren zur Herstellung von Latentwärmespeicherelementen mittels einer Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein Polymer mit dem Phasenwechselmaterial und dem antimikrobiellen Mittel als Additive vermischt wird und daraus Latentwärmespeicherelemente gebildet werden.
- Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial zusammen mit einem Polymer und dem antimikrobiellen Mittel als Additive in einen Extruder eingebracht wird, der einen Strang formt, welcher granuliert wird, und das entstehende Granulat das Basismaterial ist, aus dem die Latentwärmespeicherelemente hergestellt werden.
- Verfahren zur Herstellung von Latentwärmespeicherelementen mittels einer Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Phasenwechselmaterial mit dem antimikrobiellen Additiv versehen wird, beide Komponenten durch eine Ummantelung verkapselt werden und aus dem verkapselten Phasenwechselmaterial Latentwärmespeicherelemente gebildet werden.
- Verfahren zur Herstellung von Latentwärmespeicherelementen mittels einer Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das antimikrobielle Additiv in das Material einer Ummantelung eingebracht wird, mit der das Phasenwechselmaterial verkapselt wird, und aus dem verkapselten Phasenwechselmaterial Latentwärmespeicherelemente gebildet werden.
- Latentwärmespeicherelement, dadurch gekennzeichnet, dass es aus einer Phasenwechselmaterial-Zusammensetzung nach einem der Ansprüche 1 bis 4 hergestellt wurde.
- Verfahren zur Konditionierung eines Mediums, dadurch gekennzeichnet, dass das Medium in direkten Kontakt mit wenigstens einem Latentwärmespeicherelement nach Anspruch 9 gebracht wird.
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