用于热能储存装置的复合材料及其制备方法
【专利说明】用于热能储存装置的复合材料及其制备方法
[0001] 本发明设及用于热能储存装置（或蓄热器）的复合材料W及制备运种用于热能储 存装置的复合材料的方法。
[0002] 构成所谓潜热储存器的热能储存装置利用了相变材料的特性，相变材料的烙化潜 热（latenteSchmelzw站me)、溶解热或吸收热（Absorptionsw壯me)显著大于其在 没有相变效应情况下基于其正常的比热容量而能够储存的热量。应用的实例为例如热包 (WSnnekissen:)、冷却包脚hlakkus)或太阳能加热装置的水槽中填充有石蜡的储存器 元件。
[000引在基于相变材料的热能储存装置的放热期间，会出现其术语已知为"Subcooling" 的不希望的过冷现象，从而相变材料的结晶W及由此而来的散热（W如拥塔流6)只有 在显著低于该相变材料的烙点时才开始。因此，散热发生在相对低的溫度水平，其可能不利 于能量储存装置中的应用。
[0004] 举例来说，对于于此处为焦点的尽管由固态向液态的相变仍然具有形状稳定的性 能的相变材料也存在运样的问题，例如超高分子量的聚乙締，其因其分子链长而具有的粘 度在由固态向液态相变后也带来一定的形状稳定性（Forms化b川化t)。 阳〇化]因此，本发明的目的在于提供用于热能储存装置的复合材料W及制备运种复合材 料的方法，借助于运种材料可减少过冷现象。
[0006] 所述目的通过具有独立权利要求的特征的复合材料W及用于制备所述复合材料 的方法得W实现。本发明有利的具有有益且非凡的扩展设计的实施方式在从属权利要求中 给出。
[0007] 本发明的用于热能储存装置的复合材料包括热塑性的相变材料，该相变材料中W预定的空间分布嵌入晶核。所述复合材料除所述热塑性的相变材料之外还具有晶核，由此 可显著减少所述不期望的过冷现象，因为基于晶核，所述相变材料的凝固在低于该相变材 料的烙点后基本上立即进行。伴随相变材料的凝固或结晶，由此还在低于所述相变材料的 烙点的情况下基本上立即开始与热能储存装置中的使用相关的散热。从而，散热可发生在 相对高的溫度水平，而运对于所述复合材料在热能储存装置的应用来说是有利的。
[0008] 在本发明的有利的实施方式中，所提供的相变材料是超高分子量的聚乙締。其 优势在于，由于所述相变材料分子的链长，在由固态向液态相变期间该相变材料并且由此 所述复合材料作为整体而具有使该复合材料仍具有一定的形状稳定性的粘度。优选所 述相变材料在高于其烙点的情况下具有至少千帕斯卡秒，优选兆帕斯卡秒的零剪切粘度 (Nullviskositai) 〇
[0009] 在本发明的另一项有利的实施方式中所提供的是，晶核具有比相变材料高的软化 溫度，特别是比相变材料高至少5(TC的软化溫度。由此可确保晶核不会对所述复合材料的 热循环产生影响，因为由于升高的烙点所述晶核在复合材料的常规的溫度应用范围内不仅 是几何形状稳定的还是机械稳定的，并且此外还优选不与所述相变材料发生化学反应。运 种情况下，所述相变材料的烙点为优选约130°C，然而该烙点还可W根据相变材料的组成在 约100~170°C的范围内移动。
[0010] 本发明的又一项有利的实施方式提供的是，晶核具有比相变材料更高的热导率。 由此可实现作为整体的复合材料的有效热导率的提高，而运在热能储存装置中使用时对能 量摄入和能量输出起了积极的作用。
[0011] 根据本发明另一项有利的实施方式所提供的是，晶核是由碳所形成的纤维材料 (例如碳纤维、碳纳米管等），例如由滑石、石墨或层状娃酸盐所形成的片材，和/或既W微 米尺寸又W纳米尺寸的例如由氮化棚、二氧化娃或炭黑所形成的球状材料。
[0012] 根据本发明又一项有利的实施方式，借助于晶核在所述复合材料中形成了至少一 个预定的热传导路径（Wjimieleitpfad)，该复合材料至少在一个方向上具有比剩余的复 合材料更高的热导率。也就是说，可形成复合材料的各向异性的热导率，从而例如可W在一 个优选的方向上进行特别有效的吸热和散热，由此于热能储存装置中使用期间能够对各个 存在的边界条件进行复合材料的相应的调整。可替代的是，还能够将晶核如此布置在复合 材料内，使得所述复合材料具有至少基本上各向同性的热导率。在运种情况下，所述晶核优 选基本上均匀地分布在复合材料中。
[0013] 根据本发明另一项有利的实施方式，晶核的数量从复合材料的外部边缘区域向该 复合材料的内部区域减少。由此，所述外部边缘区域（于热能储存装置中使用期间，通常通 过该外部边缘区域来进行复合材料的热输入和热输出）可特别有效地吸热和散热。通过所 述由复合材料的边缘区域向其内部区域降低的晶核浓度，可W在超过或低于相变材料的烙 点的情况下实现复合材料的特别快的响应特性。
[0014] 在本发明的用于热能储存装置的复合材料的制备方法中，将热塑性相变材料与晶 核混合成混合物，随后由该混合物形成复合材料。此处，本发明的复合材料的有利的实施方 式应被看作所述方法的有利的实施方式。
[0015] 根据本发明方法的一项有利的实施方式，将晶核和热塑性相变材料W粉末状态彼 此混合。由此可获得晶核和相变材料的特别好且简单的充分混合。
[0016] 根据本发明方法的另一项有利的实施方式，在将相变材料与晶核混合之前先将该 相变材料与溶剂，特别是与有机溶剂混合，并且在混合该相变材料和晶核之后从混合物中 去除所述溶剂。在所述方法中强调填料颗粒、亦即晶核和相变材料的特别均匀的分布W及 通过诱铸工艺成型的可能性。
[0017] 根据本发明方法的又一项有利的实施方式，将所述混合物挤出或压制（特别是热 压）成复合材料。首先，根据所应用的相变材料的粘度来提供一种或其它方法。只要在高 出其烙点的情况下所使用的相变材料的粘度不应过高，特别是在1000至10000帕斯卡秒的 范围，就可通过挤出来制备具有所需品质的复合材料。对于粘度超过10000帕斯卡秒的相 变材料，特别提供热压工艺来制备复合材料，因为通过挤出来推动所述混合物是难W实现 或完全不能实现的。
[001引优选地，如果压制、特别是热压所述混合物，那么就将混合物在压制过程中抽真 空，W便必要时降低或调节成型件孔隙率。
[0019] 由下文优选的实施例的说明并依据附图给出了本发明进一步的优势、特征和细 节。在不脱离本发明范围的情况下，在上文的描述中所提及的特征和特征组合W及在下文 的附图描述中所提及的和/或附图单独所示的特征和特征组合不仅可在各个指定的组合 中使用而且还可单独使用。
[0020] 下面参照示意性的附图对本发明的实施例加W详述。
[0021] 图1示出了用于热能储存装置的复合材料的示意图，该复合材料由热塑性相变材 料制成，其中嵌入了大量的晶核；W及
[0022] 图2示出了用于制备所述复合材料的挤出工艺的示意图。
[0023] 用于热能储存装置（此处未示出）的、整体被标记为10的复合材料在图1的示 意图中被示出。该复合材料包括热塑性的相变材料12,在该相变材料中嵌入了大量的晶核 14,其中仅一部分晶核14具有标记。
[0024] 相变材料12是超高分子量的聚乙締，其具有高达6000kg/Mol的平均摩尔质量并 具有0. 89至0. 98g/cm3的密度。相变材料12在超过其烙点的情况下具有至少千帕斯卡 秒、优选兆帕斯卡秒的零剪切粘度。所述热塑性相变材料的烙点为约130°C，其中视相变材 料12的组成而定，其烙点还可在约100至170°C的范围内。
[00巧]晶核