DE102013224448A1 - Phase change material and use thereof - Google Patents

Abstract

Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, eine Körpererwärmungsvorrichtung zu schaffen, bei der analog zu dem bekannten System Natrium-Acetat-Trihydrat eine unterkühlte Schmelze durch einen energetischen Kick zur Spontankristallisation gebracht wird, wobei eine gut verträgliche Wärmeenthalpie als Wärmeenergie frei wird, die zur Hand-, Fuß-, Gesäß- oder sonstigen Körpererwärmung nutzbar ist. Insbesondere wird dabei dem Natrium-Acetat-Trihydrat eine kleine Menge Exzesswasser zugesetzt, so dass der Schmelzpunkt des Systems stark herabgesetzt wird. Dadurch erleichtert sich die Regeneration des Systems deutlich. Einen etwaigen geringfügigen Verlust an Wärmeenthalpie kann man durch Zugabe weiterer Acetat-Hydrate, beispielsweise der Alkali- und/oder Erdalkaligruppe, wieder ausgleichen.By the present invention, it is possible to provide a body heating device in which analogously to the known system sodium acetate trihydrate a supercooled melt is brought by an energetic kick for spontaneous crystallization, with a well-tolerated heat of heat is released as heat energy at hand -, foot, buttocks or other body warming is usable. In particular, a small amount of excess water is added to the sodium acetate trihydrate, so that the melting point of the system is greatly reduced. This significantly facilitates the regeneration of the system. Any slight loss of heat enthalpy can be compensated for by adding further acetate hydrates, for example the alkali and / or alkaline earth group.

Description

Die Erfindung betrifft ein neuartiges Phasenwechselmaterial (PCM) sowie eine neuartige Verwendung. The invention relates to a novel phase change material (PCM) and a novel use.

Bekannt sind Phasenwechselmaterialien für Handwärmer, insbesondere solche, die mit Natrium-Trihydrat als Phasenwechselmaterial gefüllt sind. Dabei wird das Material als unterkühlte Schmelze genutzt, wobei durch Aktivierung mittels Knickplättchen eine Spontankristallisation eintritt, die latente Wärme freisetzt. Es wird dabei eine Temperatur von 58°C angestrebt, die für den menschlichen Körper als angenehme Erwärmung empfunden wird. Phase change materials for hand warmers are known, in particular those which are filled with sodium trihydrate as phase change material. In this case, the material is used as a supercooled melt, wherein activation by means of kinking platelets spontaneous crystallization occurs, which releases latent heat. It is aimed at a temperature of 58 ° C, which is perceived by the human body as a pleasant warming.

Für die Reaktivierung des Systems wird Wärme zugeführt, bis der Feststoff geschmolzen ist. Dabei müssen für das inkongruent schmelzende Stoffgemisch Temperaturen weit oberhalb des Schmelzpunktes von 78°C, also Temperaturen von bis zu 100°C über einen längeren Zeitraum (mehrere Stunden) eingesetzt werden, damit sich das System regeneriert. Hier kommt eigentlich nur kochendes Wasser als bevorzugte Regenerierung des Systems in Frage. Das Material wird dabei samt Kissen im kochenden Wasser möglichst vollständig geschmolzen und langsam auf Raumtemperatur abgekühlt. Erfolgt die Wärmezufuhr lange genug, bleibt eine Kristallisation bei der Abkühlung auf unterhalb des Schmelzpunktes bei 78°C aus. So entsteht die unterkühlte Schmelze, die durch einen kleinen mechanischen oder elektrischen „Kick“ spontan kristallisiert und dabei die zur Körpererwärmung nutzbare Wärmeenergie freisetzt (Wärmeenthalpie des Stoffes). Heat is applied to reactivate the system until the solid has melted. For the incongruently melting substance mixture, temperatures far above the melting point of 78 ° C., ie temperatures of up to 100 ° C. over a relatively long period of time (several hours) must be used so that the system regenerates. Here, only boiling water is the preferred regeneration of the system in question. The material is melted together with pillows in the boiling water as completely as possible and slowly cooled to room temperature. If the heat supply is long enough, a crystallization during cooling to below the melting point at 78 ° C from. This creates the supercooled melt, which spontaneously crystallises through a small mechanical or electrical "kick", releasing the heat energy that can be used to heat the body (heat enthalpy of the substance).

Die Art der Regenerierung über einen langen Zeitraum in kochendem Wasser ist umständlich und kostenintensiv. Daher hat das Produkt bislang keinen durchschlagenden Erfolg. The type of regeneration over a long period in boiling water is cumbersome and costly. Therefore, the product has so far not been a resounding success.

Nachteilig an dem bekannten System ist neben der aufwändigen Regenerierung auch noch, dass diese in kochendem Wasser nicht ganz vollständig erfolgt, so dass auch in der durch Regeneration wieder hergestellten unterkühlten Schmelze in der Regel noch Kristallisationskeime enthalten sind. Diese setzen die Lebensdauer dieser bislang bekannten Handwärmer-Vorrichtungen herab, so dass nicht einmal mehrere Hundert Zyklen durchlaufen werden, bis das System unbrauchbar geworden ist. A disadvantage of the known system is in addition to the complex regeneration also that this is not completely complete in boiling water, so that even in the restored by regeneration supercooled melt usually crystallization nuclei are still included. These reduce the life of these hitherto known hand warmer devices, so that not even several hundred cycles are passed through until the system has become unusable.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein neuartiges Phasenwechselmaterial und eine Vorrichtung zur Erwärmung durch Auslösen einer Spontankristallisation, insbesondere einzelner Körperteile eines Menschen und/oder eines Tieres, zu schaffen, wobei die Nachteile des Standes der Technik, insbesondere im Hinblick auf die Regeneration und Lebensdauer des Systems, überwunden werden sollten. Object of the present invention is therefore to provide a novel phase change material and a device for heating by triggering a spontaneous crystallization, in particular individual body parts of a human and / or an animal, the disadvantages of the prior art, in particular with regard to the regeneration and Lifespan of the system, should be overcome.

Diese Aufgabe wird durch den Gegenstand der vorliegenden Anmeldung, wie er in der Beschreibung, den Figuren und den Ansprüchen offenbart ist, gelöst. This object is solved by the subject-matter of the present application as disclosed in the specification, figures and claims.

Insbesondere ist Gegenstand der vorliegenden Erfindung ein Phasenwechselmaterial (PCM) aus reinem Natrium-Trihydrat, dem Exzesswasser in Form von Hydratwasser im Bereich von 1 bis 20 Mol% und/oder 1 bis 20 Gew% zugesetzt ist. In particular, the present invention is a phase change material (PCM) of pure sodium trihydrate, the excess water in the form of water of hydration in the range of 1 to 20 mol% and / or 1 to 20% by weight is added.

Insbesondere betrifft die Erfindung ein Phasenwechselmaterial aus Natrium-Acetat-Trihydrat, dem 2 bis 10 Gew%, insbesondere bevorzugt 3 bis 15 Gew% und ganz bevorzugt 3 bis 7 Gew% beispielsweise 5 Gew% an Exzesswasser zugesetzt ist. In particular, the invention relates to a phase change material of sodium acetate trihydrate to which 2 to 10% by weight, more preferably 3 to 15% by weight and most preferably 3 to 7% by weight, for example 5% by weight of excess water is added.

Allgemeine Erkenntnis der Erfindung ist es, dass das System (NaOAc – H2O) bei dem Konzentrationsverhältnis des bisher für diese Anwendung bekannten Natrium-Trihydrats, im Schmelzdiagramm – beispielsweise nach Gibbs – ein so genanntes Peritektikum zeigt, das auf der wasserreichen Seite einen steilabfallenden Ast in Richtung geringerer Schmelzpunkte zeigt. Bei Schmelzdiagrammen wird die Liquidus-/Soliduskurve in einem Koordinatensystem mit y = Temperatur und x = Molenbruch aufgetragen. So ist es Im System Natriumacetat mit Kristallwasser möglich, durch sehr geringe Wasserzugaben zu NaOAc·3H2O, dem bekannten Natrium-Acetat-Trihydrat, die Liquidustemperatur sehr wirkungsvoll zu verringern. Beispielsweise wird durch insbesondere bevorzugt eingesetzte 1 bis 5 Mol% Exzesswasser im Natrium-Trihydrat der Schmelzpunkt von 78°C auf 58°C um 20°C verringert, so dass eine Erwärmung auf 70°C bereits eine vollständige Regeneration der unterkühlten Schmelze bewirken kann. Diese wesentlich geringere erforderliche Wärmezufuhr kann beispielsweise elektrisch über Heizdrähte und Ladungstransport im Salz selbst erfolgen. General knowledge of the invention is that the system (NaOAc - H2O) at the concentration ratio of the previously known for this application sodium trihydrate in the fusion diagram - for example, according to Gibbs - a so-called peritectic shows on the water-rich side of a steeply sloping branch in Direction of lower melting points shows. In melting diagrams, the liquidus / solidus curve is plotted in a coordinate system with y = temperature and x = mole fraction. Thus, in the system sodium acetate with water of crystallization, it is possible to very effectively reduce the liquidus temperature by adding very little water to NaOAc.3H2O, the known sodium acetate trihydrate. For example, by particularly preferably used 1 to 5 mol% excess water in sodium trihydrate, the melting point of 78 ° C to 58 ° C reduced by 20 ° C, so that heating to 70 ° C can already cause a complete regeneration of the supercooled melt. This much lower required heat can, for example, be done electrically via heating wires and charge transport in the salt itself.

Abgesehen davon bringt die Zugabe von Exzesswasser weiterhin den Vorteil, dass die Zyklusstabilität, also die Lebensdauer des Materials in der Anwendung zunimmt, da nicht mehr der peritektische Punkt, an dem eine Zersetzung des Materials eintritt, durchfahren wird, sondern nur noch ein einfacher Schmelzpunkt. Somit wird gleichsam das inkongruent schmelzende Natrium-Trihydrat, das durch stetige Schmelz- und Erstarrungsprozesse wegen Phasensegragation eine Abnahme der Kristallisationsenthalpie zeigt, in ein kongruent schmelzendes System überführt. Apart from that, the addition of excess water also has the advantage that the cycle stability, ie the life of the material increases in the application, as no longer the peritectic point at which a decomposition of the material occurs, but only a simple melting point. Thus, the incongruent melting sodium trihydrate, which shows a decrease in the crystallization enthalpy due to continuous melting and solidification processes due to phase segregation, is converted into a congruently melting system.

Die Unterkühlbarkeit nimmt aber dadurch nicht ab, sondern eher zu, weil keine Kristallisationskeime aus noch ungeschmolzenem und/oder nicht vollständig regeneriertem Natrium-Trihydrat in der unterkühlten Schmelze, die eingesetzt wird, um durch Knicken spontan zu kristallisieren, verbleiben. The supercoolability does not decrease but rather because no crystallization nuclei of still unmelted and / or not completely regenerated sodium trihydrate in the supercooled melt, which is used to spontaneously crystallize by kinking, remain.

Nach einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird dem Natrium-Trihydrat mit Exzesswasser noch ein, zwei oder mehrere Acetate und/oder Acetathydrate anderer Kationen zugesetzt. According to an advantageous embodiment of the invention, one, two or more acetates and / or acetate hydrates of other cations are added to the sodium trihydrate with excess water.

Insbesondere bevorzugt werden dabei ebenfalls unterkühlend schmelzende Acetate und/oder -hydrate, wie beispielsweise ein Acetat und/oder -hydrat des Magnesiums, Calciums, Kaliums und/oder weiterer salzbildender Kationen der Elemente im Periodensystem der Gruppe 2 bis 12 beigemengt. Particular preference is likewise given to adding undercooling acetals and / or hydrates, such as, for example, an acetate and / or hydrate of magnesium, calcium, potassium and / or further salt-forming cations of the elements in the Periodic Table of Groups 2 to 12.

Dabei ist es bevorzugt, dass das beispielsweise beigemengte Acetathydrat einen höheren Schmelzpunkt, respektive eine höhere Schmelzenthalpie hat als das vorhandene Natrium Trihydrat mit Exzesswasser, das eine Schmelzenthalpie von ungefähr 240 kJ/kg freisetzt und insbesondere bevorzugt auch eine höhere Schmelzenthalpie als das bislang bekanntermaßen für diese Verwendung eingesetzte Natrium-Trihydrat ohne Exzesswasser, das eine Schmelzenthalpie von ungefähr 270 kJ/kg hat. It is preferred that the example admixed acetate hydrate has a higher melting point, respectively a higher enthalpy of fusion than the existing sodium trihydrate with excess water, which releases an enthalpy of fusion of about 240 kJ / kg, and particularly preferably a higher enthalpy of fusion than the hitherto known for this Use used sodium trihydrate without excess water, which has a melting enthalpy of about 270 kJ / kg.

So kann gegebenenfalls ein Verlust an Schmelzenthalpie, die ja letztlich die Heizleistung der Vorrichtung liefert, der beispielsweise durch Zugabe an Exzesswassers auftritt, wieder gegenüber dem bekannten System ausgeglichen oder sogar überkompensiert werden. Thus, if necessary, a loss of enthalpy of fusion, which ultimately provides the heat output of the device, which occurs, for example, by adding excess water, can again be compensated or even overcompensated with respect to the known system.

Die kann beispielsweise wie folgt erklärt werden: Im Moment der Kristallisation erstarrt das Natrium-Trihydrat mit Exzesswasser und setzt dabei geringfügig weniger Wärme frei als das bekannte System ohne Exzesswasser. Wenn dem System noch ein weiteres Acetat und/oder ein weiteren Acetathydrat bevorzugt mit höherer Schmelzenthalpie zugesetzt ist, dann wirkt das kristalline Natrium-Trihydrat mit Exzesswasser beispielsweise als Kristallisationskeim für das weitere Acetathydrat, so dass dessen Kristallisation auch in Gang gesetzt wird. This can be explained, for example, as follows: At the moment of crystallization, the sodium trihydrate solidifies with excess water, releasing slightly less heat than the known system without excess water. If the system still another acetate and / or another acetate hydrate is preferably added with higher enthalpy of fusion, then the crystalline sodium trihydrate with excess water, for example, acts as a crystallization nucleus for the further acetate hydrate, so that its crystallization is also initiated.

So wird die geringfügig erniedrigte Kristallisationstemperatur durch einen höheren Wärmestrom überkompensiert, da die zu wärmende Körperpartie einen höheren Wärmefluss bei verringerter Temperatur wahrnimmt. Als besonders wirkungsvoll für diesen Zweck ist als weiteres Acetathydrat beispielsweise Magnesium Tetrahydrat einsetzbar. Thus, the slightly reduced crystallization temperature is overcompensated by a higher heat flow, since the part of the body to be heated perceives a higher heat flux at reduced temperature. Particularly effective for this purpose, for example, magnesium tetrahydrate can be used as a further acetate hydrate.

Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, durch Modifikation des Natriumacetat-Trihydrats mit weiteren unterkühlenden Acetaten und/oder Acetathydraten der Elemente der Gruppe 2 bis 12, bevorzugt der Alkali- und/oder Erdalkaligruppe einen Ausgleich an Wärmeenthalpie bei der Spontan-Kristallisation des Natriumacetat-Trihydrats, die beispielsweise in Vorrichtungen zum Handwärmen genutzt wird, zu schaffen The present invention makes it possible, by modifying the sodium acetate trihydrate with further supercooling acetates and / or acetate hydrates of the elements of groups 2 to 12, preferably of the alkali and / or alkaline earth group, to compensate for heat enthalpy in the spontaneous crystallization of the sodium acetate. Trihydrate, which is used for example in hand warming devices to create

Durch die vorliegende Erfindung ist es möglich, eine Körpererwärmungsvorrichtung zu schaffen, bei der analog zu dem bekannten System Natrium-Acetat-Trihydrat eine unterkühlte Schmelze durch einen energetischen Kick zur Spontankristallisation gebracht wird, wobei eine gut verträgliche Wärmeenthalpie als Wärmeenergie frei wird, die zur Hand-, Fuß-, Gesäß- oder sonstigen Körpererwärmung nutzbar ist. Insbesondere wird dabei dem Natrium-Acetat-Trihydrat eine kleine Menge Exzesswasser zugesetzt, so dass der Schmelzpunkt des Systems stark herabgesetzt wird. Dadurch erleichtert sich die Regeneration des Systems deutlich. Einen etwaigen geringfügigen Verlust an Wärmeenthalpie kann man durch Zugabe weiterer Acetat-Hydrate, beispielsweise der Alkali- und/oder Erdalkaligruppe, wieder ausgleichen. By the present invention, it is possible to provide a body heating device in which analogously to the known system sodium acetate trihydrate a supercooled melt is brought by an energetic kick for spontaneous crystallization, with a well-tolerated heat of heat is released as heat energy at hand -, foot, buttocks or other body warming is usable. In particular, a small amount of excess water is added to the sodium acetate trihydrate, so that the melting point of the system is greatly reduced. This significantly facilitates the regeneration of the system. Any slight loss of heat enthalpy can be compensated for by adding further acetate hydrates, for example the alkali and / or alkaline earth group.

Claims (7)

Phasenwechselmaterial (PCM) aus reinem Natrium-Trihydrat, dem Exzesswasser im Bereich von 1 bis 20 Mol% und/oder 1 bis 20 Gew% zugesetzt ist.  Phase change material (PCM) of pure sodium trihydrate, the excess water in the range of 1 to 20 mol% and / or 1 to 20% by weight is added. Phasenwechselmaterial nach Anspruch 1, dem das Exzesswasser in Form von Kristallwasser zugesetzt ist.  Phase change material according to claim 1, to which the excess water in the form of water of crystallization is added. Phasenwechselmaterial nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dem 3 bis 15 Gew% Exzesswasser zugesetzt ist.  Phase change material according to one of claims 1 or 2, to which 3 to 15% by weight of excess water is added. Phasenwechselmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dem noch ein, zwei oder mehrere Acetate und/oder Acetathydrate anderer Kationen zugesetzt sind.  Phase change material according to one of the preceding claims, to which one, two or more acetates and / or acetate hydrates of other cations are added. Phasenwechselmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dem ein Acetat und/oder ein Acetathydrat des Magnesiums, Calciums, Kaliums beigemengt ist.  Phase change material according to one of the preceding claims, to which an acetate and / or an acetate hydrate of magnesium, calcium, potassium is added. Phasenwechselmaterial nach einem der vorstehenden Ansprüche, dem ein Acetat und/oder ein Acetathydrat eines salzbildenden Kationens ausgewählt aus der 2. bis 12. Gruppe der Elemente des Periodensystems.  Phase change material according to one of the preceding claims, comprising an acetate and / or an acetate hydrate of a salt-forming cation selected from the 2nd to 12th group of the elements of the Periodic Table. Verwendung eines Phasenwechselmaterials nach einem der vorstehenden Ansprüche 1 bis 3 in einer Körperwärmevorrichtung, bei der die bei Spontankristallisation der unterkühlten Schmelze freiwerdende Wärmeenthalpie zur Erwärmung des Körpers genutzt wird.  Use of a phase change material according to one of the preceding claims 1 to 3 in a body heat device, in which the heat enthalpy released during spontaneous crystallization of the supercooled melt is used to heat the body.