[發(fā)明專利]用于熱能儲(chǔ)存裝置的復(fù)合材料及其制備方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201480016487.0
• 申請日: 2014-02-19
• 公開（公告）號: CN105189693A
• 公開（公告）日: 2015-12-23
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: J.謝弗;C.塞德爾;C.特里貝爾
• 申請（專利權(quán)）人: 西門子公司
• 主分類號: C09K5/06
• 分類號: C09K5/06
• 代理公司: 北京市柳沈律師事務(wù)所 11105
• 代理人: 宋莉

本發(fā)明涉及用于熱能儲(chǔ)存裝置(或蓄熱器)的復(fù)合材料以及制備這種用于熱能儲(chǔ)存裝置的復(fù)合材料的方法。

構(gòu)成所謂潛熱儲(chǔ)存器的熱能儲(chǔ)存裝置利用了相變材料的特性，相變材料的熔化潛熱(latente)、溶解熱或吸收熱()顯著大于其在沒有相變效應(yīng)情況下基于其正常的比熱容量而能夠儲(chǔ)存的熱量。應(yīng)用的實(shí)例為例如熱包()、冷卻包(Kühlakkus)或太陽能加熱裝置的水槽中填充有石蠟的儲(chǔ)存器元件。

在基于相變材料的熱能儲(chǔ)存裝置的放熱期間，會(huì)出現(xiàn)其術(shù)語已知為“Subcooling”的不希望的過冷現(xiàn)象，從而相變材料的結(jié)晶以及由此而來的散熱()只有在顯著低于該相變材料的熔點(diǎn)時(shí)才開始。因此，散熱發(fā)生在相對低的溫度水平，其可能不利于能量儲(chǔ)存裝置中的應(yīng)用。

舉例來說，對于于此處為焦點(diǎn)的盡管由固態(tài)向液態(tài)的相變?nèi)匀痪哂行螤罘€(wěn)定的性能的相變材料也存在這樣的問題，例如超高分子量的聚乙烯，其因其分子鏈長而具有的粘度在由固態(tài)向液態(tài)相變后也帶來一定的形狀穩(wěn)定性()。

因此，本發(fā)明的目的在于提供用于熱能儲(chǔ)存裝置的復(fù)合材料以及制備這種復(fù)合材料的方法，借助于這種材料可減少過冷現(xiàn)象。

所述目的通過具有獨(dú)立權(quán)利要求的特征的復(fù)合材料以及用于制備所述復(fù)合材料的方法得以實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明有利的具有有益且非凡的擴(kuò)展設(shè)計(jì)的實(shí)施方式在從屬權(quán)利要求中給出。

本發(fā)明的用于熱能儲(chǔ)存裝置的復(fù)合材料包括熱塑性的相變材料，該相變材料中以預(yù)定的空間分布嵌入晶核。所述復(fù)合材料除所述熱塑性的相變材料之外還具有晶核，由此可顯著減少所述不期望的過冷現(xiàn)象，因?yàn)榛诰Ш耍鱿嘧儾牧系哪淘诘陀谠撓嘧儾牧系娜埸c(diǎn)后基本上立即進(jìn)行。伴隨相變材料的凝固或結(jié)晶，由此還在低于所述相變材料的熔點(diǎn)的情況下基本上立即開始與熱能儲(chǔ)存裝置中的使用相關(guān)的散熱。從而，散熱可發(fā)生在相對高的溫度水平，而這對于所述復(fù)合材料在熱能儲(chǔ)存裝置的應(yīng)用來說是有利的。

在本發(fā)明的有利的實(shí)施方式中，所提供的相變材料是超高分子量的聚乙烯。其優(yōu)勢在于，由于所述相變材料分子的鏈長，在由固態(tài)向液態(tài)相變期間該相變材料并且由此所述復(fù)合材料作為整體而具有使該復(fù)合材料仍具有一定的形狀穩(wěn)定性的粘度。優(yōu)選所述相變材料在高于其熔點(diǎn)的情況下具有至少千帕斯卡秒，優(yōu)選兆帕斯卡秒的零剪切粘度()。

在本發(fā)明的另一項(xiàng)有利的實(shí)施方式中所提供的是，晶核具有比相變材料高的軟化溫度，特別是比相變材料高至少50℃的軟化溫度。由此可確保晶核不會(huì)對所述復(fù)合材料的熱循環(huán)產(chǎn)生影響，因?yàn)橛捎谏叩娜埸c(diǎn)所述晶核在復(fù)合材料的常規(guī)的溫度應(yīng)用范圍內(nèi)不僅是幾何形狀穩(wěn)定的還是機(jī)械穩(wěn)定的，并且此外還優(yōu)選不與所述相變材料發(fā)生化學(xué)反應(yīng)。這種情況下，所述相變材料的熔點(diǎn)為優(yōu)選約130℃，然而該熔點(diǎn)還可以根據(jù)相變材料的組成在約100～170℃的范圍內(nèi)移動(dòng)。

本發(fā)明的又一項(xiàng)有利的實(shí)施方式提供的是，晶核具有比相變材料更高的熱導(dǎo)率。由此可實(shí)現(xiàn)作為整體的復(fù)合材料的有效熱導(dǎo)率的提高，而這在熱能儲(chǔ)存裝置中使用時(shí)對能量攝入和能量輸出起了積極的作用。

根據(jù)本發(fā)明另一項(xiàng)有利的實(shí)施方式所提供的是，晶核是由碳所形成的纖維材料(例如碳纖維、碳納米管等)，例如由滑石、石墨或?qū)訝罟杷猁}所形成的片材，和/或既以微米尺寸又以納米尺寸的例如由氮化硼、二氧化硅或炭黑所形成的球狀材料。

根據(jù)本發(fā)明又一項(xiàng)有利的實(shí)施方式，借助于晶核在所述復(fù)合材料中形成了至少一個(gè)預(yù)定的熱傳導(dǎo)路徑()，該復(fù)合材料至少在一個(gè)方向上具有比剩余的復(fù)合材料更高的熱導(dǎo)率。也就是說，可形成復(fù)合材料的各向異性的熱導(dǎo)率，從而例如可以在一個(gè)優(yōu)選的方向上進(jìn)行特別有效的吸熱和散熱，由此于熱能儲(chǔ)存裝置中使用期間能夠?qū)Ω鱾€(gè)存在的邊界條件進(jìn)行復(fù)合材料的相應(yīng)的調(diào)整。可替代的是，還能夠?qū)⒕Ш巳绱瞬贾迷趶?fù)合材料內(nèi)，使得所述復(fù)合材料具有至少基本上各向同性的熱導(dǎo)率。在這種情況下，所述晶核優(yōu)選基本上均勻地分布在復(fù)合材料中。

根據(jù)本發(fā)明另一項(xiàng)有利的實(shí)施方式，晶核的數(shù)量從復(fù)合材料的外部邊緣區(qū)域向該復(fù)合材料的內(nèi)部區(qū)域減少。由此，所述外部邊緣區(qū)域(于熱能儲(chǔ)存裝置中使用期間，通常通過該外部邊緣區(qū)域來進(jìn)行復(fù)合材料的熱輸入和熱輸出)可特別有效地吸熱和散熱。通過所述由復(fù)合材料的邊緣區(qū)域向其內(nèi)部區(qū)域降低的晶核濃度，可以在超過或低于相變材料的熔點(diǎn)的情況下實(shí)現(xiàn)復(fù)合材料的特別快的響應(yīng)特性。

在本發(fā)明的用于熱能儲(chǔ)存裝置的復(fù)合材料的制備方法中，將熱塑性相變材料與晶核混合成混合物，隨后由該混合物形成復(fù)合材料。此處，本發(fā)明的復(fù)合材料的有利的實(shí)施方式應(yīng)被看作所述方法的有利的實(shí)施方式。