DE60003358T2

DE60003358T2 - Phasenwechselmaterial mit Inhibitor und Verfahren zu dessen Herstellung

Info

Publication number: DE60003358T2
Application number: DE60003358T
Authority: DE
Inventors: David John Czarnecki; James Thomas Kinscher; James A. Robinson
Original assignee: Modine Manufacturing Co
Current assignee: Modine Manufacturing Co
Priority date: 1999-04-09
Filing date: 2000-03-29
Publication date: 2003-12-04
Anticipated expiration: 2020-03-30
Also published as: EP1043381B1; EP1043381A1; US6784356B1; KR20010049249A; ATE243242T1; CN1213124C; DE60003358D1; CN1270201A; KR100647145B1; JP2000328049A

Description

GEBIET DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Phasenwechselmaterial und ein Verfahren zu dessen Herstellung, und insbesondere ein Phasenwechselmaterial mit einem Inhibitor zur Säurebildung und ein Verfahren zu dessen Herstellung.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es wird in der Technik anerkannt, dass es wünschenswert ist, ein Fahrzeug mit einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Mechanismus auszurüsten, um die während des Betriebs des Motors erzeugte Wärmeenergie zur Verwendung bei folgenden Starts zu speichern. Zum Beispiel kann die gespeicherte Wärmeenergie verwendet werden, um die gewöhnliche Verzögerung zwischen der Zufuhr und der Nachfrage nach Wärmeenergie zur Erhöhung der Lufttemperatur des Fahrgastraums zu vermindern oder zu beseitigen. Zusätzlich kann die Wärmeenergie verwendet werden, um den Motor vorzuheizen, um so die erzeugten schädlichen Emissionen zu vermindern.
Ein solcher zum Speichern von Wärmeenergie verwendeter Mechanismus ist eine Umwandlungswärmebatterie. Eine Umwandlungswärmebatterie umfasst erste und zweite Kammern, die miteinander in thermischer Verbindung sind. Ein Kühlmittel aus dem Fahrzeugkühlsystem durchströmt die erste Kammer, während ein als ein Phasenwechselmaterial bekanntes Material in der zweiten Kammer angeordnet ist. Während des Betriebs des Motors wird Wärmeenergie von dem Kühlmittel in der ersten Kammer zu dem Phasenwechselmaterial in der zweiten Kammer übertragen und bewirkt, dass sich das Phasenwechselmaterial zwischen ersten und zweiten Phasen, typisch festen und flüssigen Phasen, umwandelt. Falls erwünscht, wird Wärmeenergie von dem Phasenwechselmaterial zu dem Kühlmittel übertragen, wenn sich das Phasenwechselmaterial zwischen den flüssigen und festen Phasen umwandelt.
Ein übliches Phasenwechselmaterial, das in Umwandlungswärmebatterien verwendet wird, ist eine Mischung aus Lithiumnitrat (LiNO&sub3;) und Magnesiumnitrat-Hexahydrat (Mg(NO&sub3;)&sub2;· 6H&sub2;O). Die Hydrolyse des Magnesiumnitrats führt zur Bildung von Salpetersäure durch die Reaktion:
Mg(NO&sub3;)&sub2; + 2H&sub2;O 2HNO&sub3; + Mg(OH)&sub2;
Die so gebildete Säure kann die Wände der typisch aus Aluminium bestehenden Kammer des Phasenwechselmaterials angreifen.
Obgleich Aluminium eine Schutzschicht bzw. Passivierungsfilm aus Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;) auf der Oberfläche der Wand bildet, sind, weil das Aluminium einer wässrigen Lösung (d. h. das Phasenwechselmaterial) ausgesetzt ist, die thermodynamischen Bedingungen für die Aufrechterhaltung des Passivierungsfilms vom pH abhängig. Während eine Passivierung von Aluminium, das einer wässrigen Lösung ausgesetzt ist, bei einem niedrigen pH von 4 erfolgen kann, sollten Phasenwechselmaterialien in idealer Weise auf einen pH von zwischen S und 8 gepuffert sein.
Derzeit wird Lithiumphosphat (Li&sub3;PO&sub4;) als ein Inhibitor in dem herkömmlichen Lithiumnitrat : Magnesiumnitrat-Hexahydrat Phasenwechselmaterial verwendet. Das Lithiumphosphat reagiert mit dem Magnesiumnitrat und bildet Magnesiumhydroxid, welches die Bildung und Entwicklung von Salpetersäure hemmen kann. Jedoch erfolgt die Reaktion im wesentlichen spontan, wobei das Magnesiumhydroxid in relativ großen Klumpen ausfällt. Die Größe der gebildeten Klumpen beschränkt die Oberfläche, die zur Wechselwirkung mit den von dem Phasenwechselmaterial gebildeten Säuren zu Verfügung steht, was die Effektivität von Magnesiumhydroxid beschränkt. Zusätzlich, wegen der Unlöslichkeit von Magnesiumhydroxid in dem Phasenwechselmaterial und den relativen Dichten von Magnesiumhydroxid und dem Phasenwechselmaterial, setzen sich die Klumpen sofort auf dem Boden der Kammer ab, wo das Magnesiumhydroxid relativ inaktiv ist, wodurch der aus dem Hydroxid gewonnene Puffervorteil weiter vermindert wird.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Phasenwechselmaterial durch das Verfahren mit den Schritten Bereitstellen einer Zusammensetzung aus einem Gruppe IA-Metallnitrat, einem Gruppe IIA-Metallnitrat und Wasser, und Zugeben eines Tetraborat-Salzes hergestellt.
Der Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung aus einem Gruppe IA-Metallnitrat, einem Gruppe IIA-Metallnitrat und Wasser umfasst den Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung aus Lithiumnitrat und hydratisiertem Magnesiumnitrat. Das Verfahren kann auch den Schritt zum Zugeben einer effektiven Menge eines wässrigen Materials, die ausreicht zu bewirken, dass die Dichten der flüssigen und festen Phasen des Phasenwechselmaterials während der Phasenumwandlung ungefähr gleich sind, umfassen.
Alternativ umfasst der Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung aus einem Gruppe IA-Metallnitrat, einem Gruppe IIA-Metallnitrat und Wasser den Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung aus Lithiumnitrat, hydratisiertem Magnesiumnitrat und einer effektiven Menge eines wässrigen Materials, die ausreicht zu bewirken, dass die Dichten der flüssigen und festen Phasen des Phasenwechselmaterials während der Phasenumwandlung ungefähr gleich sind.
Der Schritt zum Zugeben eines Tetraborat-Salzes kann den Schritt zum Zugeben von Natriumtetraborat, zum Beispiel in Form von Natriumtetraborat-Dekahydrat, umfassen. Tatsächlich kann der Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung aus einem Gruppe IA- Metallnitrat, einem Gruppe IIA-Metallnitrat und Wasser den Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung aus Lithiumnitrat und hydratisiertem Magnesiumnitrat umfassen, und der Schritt zum Zugeben eines Tetraboratsalzes kann den Schritt zum Zugeben einer effektiven Menge eines hydratisierten Tetraboratsalzes (z. B. Natriumtetraborat-Dekahydrat) umfassen, derart, dass das zu dem Phasenwechselmaterial durch das hydratisierte Tetraboratsalz zugegebene Wasser ausreicht zu bewirken, dass die Dichten der flüssigen und festen Phasen des Phasenwechselmaterials während der Phasenumwandlung ungefähr gleich sind.
Das Verfahren kann auch den Schritt zum Zugeben einer starken Base, zum Beispiel Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Bariumhydroxid oder Kaliumphosphat, umfassen. Ferner kann das Verfahren den Schritt zum Zugeben eines Oxidationsmittels, zum Beispiel ein Permanganatsalz (z. B. Kaliumpermanganat) oder ein Molybdatsalz, umfassen. Ebenso kann das Verfahren den Schritt zum Zugeben eines Inhibitors, wie ein Silikat (z. B. Metasilikat) oder Kieselsäure, umfassen.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung umfasst ein Verfahren zum Herstellen eines Phasenwechselmaterials die Schritte zum Bereitstellen einer Zusammensetzung aus einem Gruppe IA-Metallnitrat, einem Gruppe IIA-Metallnitrat und Wasser und Zugeben eines Tetraborat-Salzes.
Vorzugsweise umfasst der Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung aus einem Gruppe IA-Metallnitrat, einem Gruppe IIA-Metallnitrat und Wasser den Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung aus Lithiumnitrat und Magnesiumnitrat-Hexahydrat.
Der Schritt zum Zugeben eines Tetraborat-Salzes kann den Schritt zum Zugeben von Natriumtetraborat, zum Beispiel in Form von Natriumtetraborat-Dekahydrat umfassen.
Das Verfahren kann auch den Schritt zum Zugeben einer starken Base, gewählt aus der Gruppe, welche aus Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Bariumhydroxid und Kaliumphosphat besteht, umfassen. In ähnlicher Weise kann das Verfahren den Schritt zum Zugeben eines Oxidationsmittels, gewählt aus der Gruppe, welche aus Permanganatsalzen und Molybdatsalzen besteht, umfassen. Ferner kann das Verfahren den Schritt zum Zugeben eines Inhibitors, gewählt aus der Gruppe, welche aus Silikaten und Kieselsäure besteht, umfassen.
Entsprechend einem weiteren Gegenstand der vorliegenden Erfindung umfasst eine Wärmebatterie einen Durchgang, durch welchen ein Arbeitsfluid passieren kann, einen Behälter, der in Wärmeaustausch mit dem Durchgang ist, und ein Phasenwechselmaterial, das in dem Behälter angeordnet ist und aus einem Gruppe IA-Metallnitrat, einem Gruppe IIA- Metallnitrat, Wasser und einem Tetraborat-Salz gebildet ist.
Das Phasenwechselmaterial kann aus Lithiumnitrat, Magnesiumnitrat-Hexahydrat und Natriumtetraborat gebildet sein. Ferner kann das Phasenwechselmaterial zusätzlich eine starke Base, gewählt aus der Gruppe, welche aus Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Bariumhydroxid und Kaliumphosphat besteht, umfassen. Ebenso kann das Phasenwechselmaterial ferner einen Inhibitor, gewählt aus der Gruppe, welche aus Silikaten und Kieselsäure besteht, umfassen. Das Phasenwechselmaterial kann ferner ein Oxidationsmittel, gewählt aus der Gruppe, welche aus Permanganatsalzen und Molybdatsalzen besteht, umfassen.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist ein Graph der Ergebnisse von Tests, die an mehreren Ausführungsformen eines Phasenwechselmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung mit einem Tetraborat-Inhibitor durchgeführt wurden;
Fig. 2 ist ein Graph der Ergebnisse von Tests, die an mehreren Ausführungsformen eines Phasenwechselmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung mit Tetraborat- und Bariumhydroxid-Inhibitoren durchgeführt wurden;
Fig. 3 ist ein Graph der Ergebnisse von Tests, die an mehreren Ausführungsformen eines Phasenwechselmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung mit Tetraborat- und Lithiumhydroxid-Inhibitoren durchgeführt wurden;
Fig. 4 ist ein Graph der Ergebnisse von Tests, die an mehreren Ausführungsformen eines Phasenwechselmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung mit Tetraborat- und Kaliumphosphat-Inhibitoren durchgeführt wurden;
Fig. 5 ist ein Graph der Ergebnisse von Tests, die an mehreren Ausführungsformen eines Phasenwechselmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung mit Tetraborat- und Silikat- oder Kieselsäure-Inhibitoren durchgeführt wurden; und
Fig. 6 ist eine perspektivische Ansicht einer Umwandlungswärmebatterie, die ein Phasenwechselmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung einsetzt.

GENAUE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG

Gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Phasenwechselmaterial durch Zugeben eines Tetraborat (B&sub4;O&sub7;)-Inhibitors zu einer Zusammensetzung aus Metallnitrat und Wasser hergestellt werden. Das Phasenwechselmaterial kann durch Zugeben des Tetraborat-Inhibitors in der Form von Tetraboratsalz, zum Beispiel Natriumtetraborat (Na&sub2;B&sub4;O&sub7;), hergestellt werden. Alternativ kann das Phasenwechselmaterial durch Zugeben des Tetraborat-Inhibitors in der Form eines hydratisierten Tetraboratsalzes, zum Beispiel Natriumtetraborat-Dekahydrat (Na&sub2;B&sub4;O&sub7;·10 H&sub2;O), hergestellt werden. In jedem Fall macht Natriumtetraborat vorzugsweise ungefähr 0,3 Gew.-% der gesamten Materialien, die zur Herstellung des Phasenwechselmaterials verwendet werden, aus.
Als ein Beispiel kann ein Phasenwechselmaterial gemäß der vorliegenden Erfindung durch Zugeben von Natriumtetraborat zu einer Zusammensetzung aus einem Gruppe IA-Metallnitrat (z. B. Lithiumnitrat) und einem Gruppe IIA-Metallnitrat, vorzugsweise ein hydratisiertes Gruppe IIA-Metallnitrat (z. B. Magnesiumnitrat-Hexahydrat), hergestellt werden. Zusätzlich kann Wasser in der Zusammensetzung vorliegen, oder kann dem Phasenwechselmaterial so zugegeben werden, wie notwendig ist um die während der Phasenumwandlung auftretende Dichteänderung des sich ergebenden Phasenwechselmaterials wesentlich zu vermindern. Das heißt, mit der Zugabe von wässrigem Material zu einer Zusammensetzung aus einem Gruppe IA-Metallnitrat und einem Gruppe IIA-Metallnitrat, können die Dichten der festen und flüssigen Phasen an der Schmelzpunkttemperatur ungefähr gleich gemacht werden. Zum Beispiel sollten für eine Zusammensetzung aus Lithiumnitrat und Magnesiumnitrat- Hexahydrat in einem Gewichtsverhältnis von 85,3 : 14,7 ungefähr 39 Gew.-% des Phasenwechselmaterials Wasser sein, um das Phasenwechselmaterial in der Dichte zu stabilisieren. Die Dichte dieses Phasenwechselmaterials in sowohl der flüssigen als auch festen Phase während der Phasenumwandlung beträgt ungefähr 1,57 g/ml. Zusätzliche Informationen über die Formulierung und Herstellung von dichtestabilisierten Phasenwechselmaterialien können im US-Patent Nr. 6,038,418 gefunden werden.
Als ein weiteres Beispiel kann ein Phasenwechselmaterial durch Zugeben von Natriumtetraborat zu einer Zusammensetzung aus Lithiumnitrat und Magnesiumnitrat- Hexahydrat hergestellt werden. In diesem Phasenwechselmaterial kann das wässrige Material, das notwendig ist um die Dichteänderung während der Phasenumwandlung wesentlich zu vermindern, im wesentlichen durch das hydratisierte Natriumtetraborat geliefert werden, oder durch das hydratisierte Natriumtetraborat und zusätzliches wässriges Material wie notwendig ist um das Phasenwechselmaterial in der Dichte zu stabilisieren.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein Phasenwechselmaterial durch Zugeben von einem oder mehreren Inhibitoren zu dem Metallnitrat, Wasser und Tetraborat-Inhibitor hergestellt werden. Solche zusätzlichen Inhibitoren können hinzugefügt werden, um den pH des Phasenwechselmaterials weiter zu puffern, abzuscheiden um eine Diffusionsbarriere zu bilden, oder Aluminium zu oxidieren. Obgleich mehrere spezifische zusätzliche Inhibitoren weiter unten angegeben worden sind, ist die Aufzählung keinesfalls erschöpfend und nur zu Zwecken der Anschauung angegeben.
Der zusätzliche Inhibitor kann eine Base oder eine Mischung aus Basen sein, oder stärker bevorzugt eine starke Base oder eine Mischung aus starken Basen, welche beim Puffern des Phasenwechselmaterials mithelfen. Eine starke Base ist ein Material, das, wenn es in Wasser bei 25ºC mit einer Stärke von 0,01 Ni gelöst ist, normalerweise zu einem pH von 10 oder größer führt. Zum Beispiel sind Lithiumhydroxid (LiOH), Natriumhydroxid (NaOH), Bariumhydroxid (Ba(OH)&sub2;) und Kaliumphosphat (K&sub3;PO&sub4;) starke Basen, die verwendet werden können, um eine Ausführungsform des Phasenwechselmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung herzustellen. Am stärksten bevorzugt ist die starke Base Lithiumhydroxid, wegen seines geringen Molekulargewichts, das eine große Basenäquivalenz bei einer relativ geringen Gewichtszugabe erlaubt. Ebenso ist Lithium das gleiche Kation, wie in der hydratisiertes Magnesiumnitrat : Lithiumnitrat - Zusammensetzung vorliegt, die verwendet wird um das Phasenwechselmaterial zu bilden.
Der zusätzliche Inhibitor kann auch ein Silikat sein, zum Beispiel Orthosilikat (SiO&sub4;) oder Metasilikat (SiO&sub3;) oder Kieselsäure (H&sub2;SiO&sub3;). Silikate sind starke Basen, und, wie oben erwähnt ist, kann eine starke Base vorteilhaft mit dem Tetraborat-Inhibitor kombiniert werden, um das Phasenwechselmaterial zu puffern. Jedoch ist es nicht notwendig das Silikat zu dem Phasenwechselmaterial hinzuzugeben, sondern anstelle dessen kann Kieselsäure zugegeben und eine Hydrolyse ermöglicht ermöglich werden um das Silikat zu bilden. Demzufolge kann man entweder die Base, Silikat, oder die Säure, Kieselsäure in das Phasenwechselmaterial als zusätzlichen Inhibitor einbringen.
Überdies kann der zusätzliche Inhibitor ein Oxidationsmittel sein. Ein Oxidationsmittel liefert Sauerstoff um den Aluminiumoxid (Al&sub2;O&sub3;)-Film auf der Aluminiumwand der Kammer des Phasenwechselmaterials wiederherzustellen. Oxidationsmittel, wie Molybdat (MoO&sub4;&supmin;²) und Permanganat (MnO4&supmin;), können zu dem Metallnitrat, Wasser und Tetraborat-Inhibitor gegeben werden, vorzugsweise in der Form eines Natrium-, Kalium- oder Magnesiumsalzes. Kaliumpermanganat ist besonders geeignet, da dieses Salz in wässrigen Systemen löslich ist. Es wird angenommen, dass die Verwendung eines Tetraborat-Inhibitors auf zwei Arten vorteilhaft ist. Erstens puffert der Tetraborat-Inhibitor das Phasenwechselmaterial bei einem pH von ca. 5 innerhalb des pH-Bereichs von 5 bis 8, in dem Aluminium passiviert bleibt. Zweitens wird angenommen, dass der Tetraborat-Inhibitor zusätzliche Baseninhibitoren solubilisiert, was den Zeitraum verlängert über den die Baseninhibitoren als Puffer für das Phasenwechselmaterial wirksam sind.
Insbesondere wird angenommen, dass der Tetraborat-Inhibitor die Baseninhibitoren gemäß einem Zweischrittprozess solubilisiert. Erstens, nach Zugabe des Tetraborats, wird eine Gleichgewichtsreaktion zwischen dem Tetraborat und Borsäure geschaffen. Das heißt:
B&sub4;O&sub7;&supmin;² + 2H&supmin; + 5H&sub2;O 4H&sub3;BO&sub3;
Zweitens löst die Borsäure das durch die Base gebildete Magnesiumhydroxid und erzeugt eine Gleichgewichtsreaktion zwischen der Borsäure und dem Magnesiumhydroxid. Diese Reaktion trägt dazu bei, das meiste des Magnesiumhydroxids in Lösung zu halten, und umgekehrt die Base in Lösung.
Überdies hat jegliches in dem Phasenwechselmaterial durch die oben genannten Inhibitoren ausgefällte Magnesiumhydroxid eine wesentlich kleinere Partikelgröße als jenes, das ausgefällt wird, wenn Lithiumphosphat zugegeben wird, mit einer folgerichtigen signifikanten Verbesserung beim Puffern. Insbesondere neigen die kleineren Magnesiumhydroxidpartikel dazu, in dem Phasenwechselmaterial für einen längeren Zeitraum suspendiert zu bleiben, und deren vermehrte Oberfläche ist zur Reaktion mit der Salpetersäure verfügbar.
In Bezug auf das Verfahren zur Herstellung des Phasenwechselmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Zusammensetzung aus Lithiumnitrat und Magnesiumnitrat- Hexahydrat bis zu einem geschmolzenen Zustand erhitzt. Natriumtetraborat-Dekahydrat wird zu dem geschmolzenen Salz als ein feines Pulver hinzugegeben und die Mischung wird dauernd bewegt. Der Lösung von Tetraborat folgend, wird die Base, Säure und/oder das Oxidationsmittel zugegeben, vorzugsweise zusammen mit einer ausreichenden Menge an Wasser, um die Dichteänderung des sich ergebenden Phasenwechselmaterials während der Phasenumwandlung wesentlich zu vermindern (wenn eine ausreichende Menge Wasser nicht schon durch den Einschluss des hydratisierten Natriumtetraborats zugegeben wurde). Die Mischrate und Konzentration der Base (oder ihrer Komplementsäure) kann verwendet werden, um die Partikelgröße des durch die Base zu bildenden Magnesiumhydroxidreaktionsprodukts zu kontrollieren. Alternativ können die geschmolzene Lithiumnitrat : hydratisiertes Magnesiumnitrat - Zusammensetzung, Natriumtetraborat, Base, Säure und/oder Oxidationsmittel und Wasser gleichzeitig mit dauernder Bewegung zusammen gegeben werden.

VERGLEICHSTEST

Fünf Gruppen von Phasenwechselmaterialien gemäß Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung wurden entsprechend dem oben dargestellten Verfahren hergestellt. Alle Phasenwechselmaterialien wurden hergestellt durch Kombinieren: a) eine Zusammensetzung von Magnesiumnitrat-Hexahydrat und Lithiumnitrat mit oder nahe einer Zusammensetzung von 83,7 : 16,3 Gew.-%, b) ein Tetraborat-Inhibitor und c) eine ausreichende Menge Wasser um das Phasenwechselmaterial in der Dichte zu stabilisieren. Die Phasenwechselmaterialien von Gruppe 1 wurden hergestellt, indem nur der Tetraborat-Inhibitor verwendet wurde, während die Phasenwechselmaterialien der Gruppen 2, 3 und 4 hergestellt wurden, indem Tetraborat-, starke Basen- und Oxidationsmittel-Inhibitoren verwendet wurden, und die Phasenwechselmaterialien von Gruppe 5 wurden hergestellt, indem die Tetraborat- und Silikat- oder Kieselsäure-Inhibitoren verwendet wurden. Es wurden Variationen in den Konzentrationen der Bestandteile der Phasenwechselmaterialien jeder Gruppe vorgenommen.

GRUPPE 1

TETRABORAT

0,05% Na&sub2;B&sub4;O&sub7;
0,13 5% Na&sub2;B&sub4;O&sub7;

GRUPPE 2

TETRABORAT UND STARKE BASE - Ba(OH)&sub2;

0,3% Na&sub2;B&sub4;O&sub7; + 0,1% Ba(OH)&sub2;
0,2% Na&sub2;B&sub4;O&sub7; + 0,07% Ba(OH)&sub2; + 0,07% KmnO&sub4;
0,15% Na&sub2;B&sub4;O&sub7; + 0,05% Ba(OH)&sub2; + 0,05% Na&sub2;MoO&sub4; + 0,05% KmnO&sub4;

GRUPPE 3

TETRABORAT UND STARKE BASE - LiOH

0,3% Na&sub2;B&sub4;O&sub7; + 0,1% LiOH
0,3% Na&sub2;B&sub4;O&sub7; + 0,06% LiOH

GRUPPE 4

TETRABORAT UND STARKE BASE - K&sub3;PO&sub4;

0,2% Na&sub2;B&sub4;O&sub7; + 0,15% K&sub3;PO&sub4; + 0,1% Na&sub2;MoO&sub4;
0,2% Na&sub2;B&sub4;O&sub7; + 0,1% K&sub3;PO&sub4; + 0,07% Na&sub2;MoO&sub4;
0,2% Na&sub2;B&sub4;O&sub7; + 0,2% K&sub3;PO&sub4;

GRUPPE 5

TETRABORAT UND SILIKAT/KIESELSÄURE

0,2% Na&sub2;B&sub4;O&sub7; + 0,1% Na&sub2;SiO&sub3;
0,3% Na&sub2;B&sub4;O&sub7; + 0,1% H&sub2;SiO&sub3;
Testkanister wurden hergestellt, indem ungefähr 30 ml eines Phasenwechselmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung in einen 40 ml Kanister zusammen mit ungefähr 10 g einer Aluminiumart gegeben wurden. Die Kanister wurden dann versiegelt. Es wurden auch Kontrollkanister hergestellt, indem ungefähr 30 ml einer Mischung eines Magnesiumnitrat- Hexahydrat : Lithiumnitrat - Salzes und ein Lithiumphosphat-Inhibitor in einen 40 ml Aluminiumkanister mit ungefähr 10 g einer Aluminiumart gegeben wurden. Die Kanister wurden auch versiegelt. Es wurden periodisch Druckmessungen des Innendrucks innerhalb des Kanisters vorgenommen.
Die Ergebnisse der Messung sind in den Fig. 1-5, jeweils für die Gruppen 1-5 gezeigt. Für jede der Gruppen zeigten die mit den Phasenwechselmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung gefüllten Kanister im allgemeinen niedrigere Drücke als die mit der Mischung des Salzes und dem Lithiumphosphat-Inhibitor gefüllten Kanister. Am meisten signifikant ist der Anstieg im Druck über die Zeit in den mit den Phasenwechselmaterialien gemäß der vorliegenden Erfindung gefüllten Kanistern geringer als für die Mischung aus Salz und Lithiumphosphat-Inhibitor.

BEISPIELANWENDUNG

Eine bevorzugte Anwendung des Phasenwechselmaterials gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein Wärmeenergiespeichermedium für eine Umwandlungswärmebatterie.
Die Wärmebatterie, mit 10 bezeichnet, umfasst ein Mittelgehäuse 12 mit einem inneren Behälter 14 und einem äußeren Behälter 16, wobei der innere Behälter 14 innerhalb des äußeren Behälters 16 angeordnet ist, mit einem ersten bzw. Isolierraum 18 dazwischen, der mit einem Isoliermaterial gefüllt oder evakuiert werden kann. Eine Vielzahl von Rohren 20 ist in dem inneren Behälter 14 angeordnet, welche einen zweiten Raum 22 zwischen den Rohren 20 definieren, welcher mit dem dichtestabilisierten Phasenwechselmaterial gefüllt ist. Die Wärmebatterie 10 kann auch eine Vielzahl von Rippen (nicht gezeigt) umfassen, die zwischen der Vielzahl von Rohren 20 verlaufen.
Die Enden 24, 26 des Mittelgehäuses 12 sind durch Endplatten versiegelt, von denen eine linke Endplatte 28 gezeigt ist. Die Endplatten wirken auch mit Deckeln bzw. Tanks 32, 34 zusammen, um Sammler- und Tankkonstruktionen 36, 38 an beiden Enden des Mittelgehäuses 12 zu definieren, die in fluidleitender Verbindung mit der Vielzahl von Rohren 20 sind.
Insbesondere hat der Deckel 32 einen Einlass 40 und einen Auslass 42, die daran befestigt sind und in fluidleitender Verbindung mit dem Innenraum der Sammler- und Tankkonstruktion 36 sind. Beide Deckel 32, 34 weisen Ablenkplatten 44, 46 auf. Die T- förmige Ablenkplatte 44 (die als ein Stück gezeigt ist, die jedoch eine Anordnung von zwei Stücken sein kann) teilt die Sammler- und Tankkonstruktion 36 in drei Kammern und trennt den Einlass 40 von dem Auslass 42. Die Ablenkplatte 46 teilt die Sammler- und Tankkonstruktion 38 in zwei Kammern. Die Ablenkplatten 44, 46 bewirken hierdurch, dass das Fluid durch die Sammler- und Tankkonstruktionen 36, 38 und die Rohre 20 strömt und einem Serpentinenweg durch das Mittelgehäuse 12 folgt.
Im Betrieb tritt ein Arbeitsfluid, wie ein Kühlmittel, durch den Einlass 40 in die Sammler- und Tankkonstruktion 36 ein, und tritt in wenigstens eines der in dem Mittelgehäuse 12 angeordneten Rohre ein. Das Arbeitsfluid strömt durch die Rohre 20 zu der Sammler- und Tankkonstruktion 38, wonach es in ein weiteres der Rohre 20 eintritt und zu der Sammler- und Tankkonstruktion 36 zurückkehrt. Das Arbeitsfluid strömt dann durch ein weiteres der Rohre 20 zu der Sammler- und Tankkonstruktion 3 und durch ein weiteres der Rohre 20 zu der Sammler- und Tankkonstruktion 36. Das Arbeitsfluid tritt von der Sammler- und Tankkonstruktion 36 durch den Auslass 42 aus.
Wenn das Arbeitsfluid durch das Mittelgehäuse 12 strömt, tauscht das Arbeitsfluid Wärme durch die Wände der Rohre 20 aus, mit dem in dem zweiten Raum 22 enthaltenen Phasenwechselmaterial. Insbesondere, wenn die Temperatur des Arbeitsfluids die Temperatur des Phasenwechselmaterials übersteigt, dann wird Energie auf das Phasenwechselmaterial übertragen und die feste Phase erwärmt, um das Phasenwechselmaterial von der festen Phase in die flüssige Phase umzuwandeln oder die flüssige Phase weiter zu erwärmen, wodurch Energie in der Batterie gespeichert wird. Wenn die Temperatur des Arbeitsfluids geringer ist als jene des Phasenwechselmaterials, dann wird Energie von dem Phasenwechselmaterial zu dem Arbeitsfluid übertragen, um das Fluid zu erwärmen und die flüssige Phase des Phasenwechselmaterials zu kühlen, um das Phasenwechselmaterial zwischen der flüssigen Phase und der festen Phase umzuwandeln oder die feste Phase weiter zu kühlen, wobei Energie von der Batterie abgezogen wird.
Als eine alternative Struktur kann das Phasenwechselmaterial in versiegelten Kanistern innerhalb des inneren Behälters 14 platziert werden, und dem Kühlmittel wird ermöglicht durch den inneren Behälter 14 und um die versiegelten Kanister zu strömen.
Weitere Aspekte, Anwendungen und Vorteile der vorliegenden Erfindung können aus einem Studium der Beschreibung, der Zeichnungen und der beigefügten Ansprüche erhalten werden.

Claims

1. Phasenwechselmaterial, hergestellt durch das Verfahren, welches die Schritte umfasst:

Bereitstellen einer Zusammensetzung mit einem Gruppe IA-Metallnitrat, einem Gruppe IIA-Metallnitrat und Wasser; und

Zugeben eines Tetraborat-Salzes.

2. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung mit einem Gruppe IA-Metallnitrat, einem Gruppe IIA- Metallnitrat und Wasser den Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung mit Lithiumnitrat und hydratisiertem Magnesiumnitrat umfasst.

3. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 2, ferner umfassend den Schritt zum Zugeben einer effektiven Menge eines wässrigen Materials, die ausreicht zu bewirken, dass die Dichten der flüssigen und festen Phasen des Phasenwechselmaterials während der Phasenumwandlung ungefähr gleich sind.

4. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung mit einem Gruppe IA-Metallnitrat, einem Gruppe IIA- Metallnitrat und Wasser den Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung mit Lithiumnitrat und hydratisiertem Magnesiumnitrat und einer effektiven Menge eines wässrigen Materials, die ausreicht zu bewirken, dass die Dichten der flüssigen und festen Phasen des Phasenwechselmaterials während der Phasenumwandlung ungefähr gleich sind, umfasst.

5. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt zum Zugeben eines Tetraborat-Salzes den Schritt zum Zugeben von Natriumtetraborat umfasst.

6. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 1, bei welchem der Schritt zum Zugeben eines Tetraborat-Salzes den Schritt zum Zugeben eines hydratisierten Tetraboratsalzes umfasst.

7. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 6, bei welchem der Schritt zum Zugeben eines hydratisierten Tetraboratsalzes den Schritt zum Zugeben von Natriumtetraborat- Dekahydrat umfasst.

8. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 6, bei welchem der Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung mit einem Gruppe IA-Metallnitrat, einem Gruppe IIA- Metallnitrat und Wasser den Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung mit Lithiumnitrat und hydratisiertem Magnesiumnitrat umfasst, und der Schritt zum Zugeben eines hydratisierten Tetraboratsalzes den Schritt zum Zugeben einer effektiven Menge des hydratisierten Tetraboratsalzes umfasst, derart, dass das zu dem Phasenwechselmaterial durch das hydratisierte Tetraboratsalz zugegebene Wasser ausreicht, um zu bewirken, dass die Dichten der flüssigen und festen Phasen des Phasenwechselmaterials während der Phasenumwandlung ungefähr gleich sind.

9. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt zum Zugeben einer starken Base umfasst.

10. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 9, bei welchem der Schritt zum Zugeben einer starken Base den Schritt zum Zugeben einer Base, gewählt aus der Gruppe, welche aus Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Bariumhydroxid und Kaliumphosphat besteht, umfasst.

11. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 9, welches ferner den Schritt zum Zugeben eines Oxidationsmittels umfasst.

12. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 11, bei welchem der Schritt zum Zugeben eines Oxidationsmittels den Schritt zum Zugeben eines Oxidationsmittels, gewählt aus der Gruppe, welche aus Permanganatsalzen und Molybdatsalzen besteht, umfasst.

13. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 12, bei welchem der Schritt zum Zugeben eines Oxidationsmittels den Schritt zum Zugeben von Kaliumpermanganat umfasst.

14. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 1, welches ferner den Schritt zum Zugeben eines Inhibitors, gewählt aus der Gruppe, welche aus Silikaten und Kieselsäure besteht, umfasst.

15. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 14, bei welchem der Schritt zum Zugeben eines Inhibitors den Schritt zum Zugeben eines Inhibitors, gewählt aus der Gruppe, welche aus Metasilikat und Kieselsäure besteht, umfasst.

16. Verfahren zum Herstellen eines Phasenwechselmaterials, welches die Schritte umfasst:

Zugeben eines Tetraborat-Salz.

17. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem der Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung mit einem Gruppe IA-Metallnitrat, einem Gruppe IIA-Metallnitrat und Wasser den Schritt zum Bereitstellen einer Zusammensetzung mit Lithiumnitrat und Magnesiumnitrat-Hexahydrat umfasst.

18. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem der Schritt zum Zugeben eines Tetraborat- Salzes den Schritt zum Zugeben von Natriumtetraborat umfasst.

19. Verfahren nach Anspruch 16, bei welchem der Schritt zum Zugeben eines Tetraborat- Salzes den Schritt zum Zugeben von Natriumtetraborat-Dekahydrat umfasst.

20. Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner den Schritt zum Zugeben einer starken Base, gewählt aus der Gruppe, welche aus Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Bariumhydroxid und Kaliumphosphat besteht, umfasst.

21. Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner den Schritt zum Zugeben eines Oxidationsmittels, gewählt aus der Gruppe, welche aus Permanganatsalzen und Molybdatsalzen besteht, umfasst.

22. Verfahren nach Anspruch 16, welches ferner den Schritt zum Zugeben eines Inhibitors, gewählt aus der Gruppe, welche aus Silikaten und Kieselsäure besteht, umfasst.

23. Wärmebatterie, welche umfasst:

einen Durchgang, durch welchen ein Arbeitsfluid passieren kann;

einen Behälter, der in Wärmeaustausch mit dem Durchgang ist; und

ein Phasenwechselmaterial, das in dem Behälter angeordnet ist und aus einem Gruppe IA-Metallnitrat, einem Gruppe IIA-Metallnitrat, Wasser und einem Tetraborat-Salz gebildet ist.

24. Wärmebatterie nach Anspruch 23, wobei das Phasenwechselmaterial aus Lithiumnitrat, Magnesiumnitrat-Hexahydrat und Natriumtetraborat gebildet ist.

25. Wärmebatterie nach Anspruch 24, wobei das Phasenwechselmaterial ferner eine starke Base, gewählt aus der Gruppe, welche aus Lithiumhydroxid, Natriumhydroxid, Bariumhydroxid und Kaliumphosphat besteht, umfasst.

26. Wärmebatterie nach Anspruch 24, wobei das Phasenwechselmaterial ferner einen Inhibitor, gewählt aus der Gruppe, welche aus Silikaten und Kieselsäure besteht, umfasst.

27. Wärmebatterie nach Anspruch 24, wobei das Phasenwechselmaterial ferner ein Oxidationsmittel, gewählt aus der Gruppe, welche aus Permanganatsalzen und Molybdatsalzen besteht, umfasst.