مواد تغییر فاز دهنده (به انگلیسی: phase change material) بصورت اختصار PCM. انرژی حرارتی را به دو صورت انرژی گرمایی محسوس و نهان می‌توان در مواد ذخیره کرد. در ذخیره انرژی محسوس انرژی حرارتی با افزایش دمای جسم جامد یا مایع در آن ذخیره می‌شود. میزان انرژی محسوس ذخیره شده در جسم تابعی از دما، ظرفیت گرمایی ویژه و مقدار جسم می‌باشد. ذخیره انرژی گرمایی توسط جسم به صورت نهان به هنگام تغییر فاز جسم از حالت جامد به مایع یا مایع به گاز یا جامد به جامد صورت می‌گیرد. مواد تغییر فازدهنده انرژی را به صورت گرمای نهان ذوب ذخیره می‌کنند. همان‌طور که گفته شد ذخیره‌سازی گرما از ۳ طریق تغییر فاز صورت می‌گیرد، در حالت اول که تغییر فاز از جامد به جامد است به دلیل اینکه انتقال گرما بسیار آهسته و اندک می‌باشد مناسب نیست. در حالت دوم یعنی تغییر فاز مایع به گاز هم به دلیل نیاز به گرما و حرارت بالا و همچنین ایجاد حجم فشار بالای گاز عملی نمی‌باشد. اما تغییر فاز از جامد به مایع مناسب تر است که این ویژگی در مواد تغییر فازدهنده PCM وجود دارد، که در دمای ثابت با جذب گرما از فاز جامد به مایع تبدیل می‌شوند. این مواد انرژی را تقریباً در همان دمایی که جذب می‌کنند، آزاد نیز می‌کنند. PCMها در دمای اتاق جامد هستند.

ویژگی‌های مواد تغییر فاز دهنده

1. در شاخه مهندسی از مواد تغییر فازدهنده برای بکارگیری و ذخیره انرژی استفاده می‌شود.
2. مناسب برای حفظ دمای آسایش.
3. این مواد تمایل به افزایش ذخیره‌سازی حرارت ده برابر بیشتر از آب و سنگ و زمین دارند.
4. ازنظر شیمیایی پایدارند.
5. قابل بازیافت هستند.
6. غیر واکنش پذیرند.
7. دارای طول عمر.

دسته‌بندی

1. پارافین و اسیدهای چرب
2. مواد معدنی، هیدرات‌های نمک
3. مواد ترکیبی
4. مواد جاذب رطوبت

انواع مواد تغییر فاز دهنده

PCMهای آلی را می‌توان به گروه پارافین‌ها (ذخیره آلکان‌ها) و غیرپارافین‌ها مانند استرها، اسیدهای چرب، الکل‌ها و گیلکولیک اسیدها تقسیم‌بندی نمود. دی هیدرات، سولفات سدیم، هگزاهیدرات کلرایدکلسیم و پارافین جز مهم‌ترین PCMها هستند. PCMها را بر اساس دمای تغییر فاز، به سه دسته مهم می‌توان تقسیم نمود که عبارتند از: یوتکتیک، هیدرات نمک‌ها و مواد آلی. یوتکتیک‌ها نمک‌های محلول در آب هستند که دمای تغییر فاز آن‌ها کمتر از است و هیدرات نمک‌ها، نمک‌های خاصی هستند که دمای تغییر فاز آن‌ها بالای است. مواد آلی نیز معمولاً از زنجیره‌های بلند کربن و هیدرو‍ژن تشکیل شده‌اند که دمای تغییر فاز آن‌ها نیز بالای است. برای کاربردهای تجاری و صنعتی، مواد تغییر فازدهنده برای داخل یک پوشش آب‌بندی شده قرار گیرند. دمای کاری متداول‌ترین PCMها بین ۴۰- تا ۱۱۷+ درجه سانتیگراد است. این مواد را می‌توان به صورت صفحه، لوله یا کره، با پوششی ا ز جنس پلی اتیلن بسته‌بندی نمود. با استفاده از محصول نامبرده می‌توان مخزن جاذب انرژی حرارتی ساخت و PCMهای بسته‌بندی شده را در آن‌ها قرار داد که حرارت را به سیال موجودی در سیستم، که می‌تواند هوا یا آب باشد، منتقل کند. باید بین بسته‌های PCM فاصله باشد تا سیال مذکور به راحتی در فواصل آن‌ها جریان یابد و تبادل انرژی حرارتی انجام شود.

کاربرد PCM

اجزا و قطعاتی از فضاپیماها که اتلاف توان و حرارت زیادی دارند بایستی از طریق روش هایی مانند انتقال حرارت جابجایی با هوا و یا انتقال حرارت هدایتی به یک صفحه سرد خنککاری شوند. همچنین باید از سرد شدن اجزایی که فقط گاه به گاه فعال می شوند جلوگیری کرد تا به دمایی پایین تر از دمای عملکردی خود نرسند. اما عدم وجود اتمسفر مانع کنترل حرارت به روش های جابجایی معمول می شود. یک کاربرد ایده آل مواد تغییر فاز دهنده خنک کاری این قطعات است. ساده ترین شکل کنترل حرارت با استفاده از مواد تغییر فاز دهنده این است که برای اجزای الکترونیکی که سیکل کاری کوتاه در پرتاب و ورود مجدد به جو دارند، استفاده شوند.اگرچه چنین اجزایی فقط یک بار استفاده می شوند، ولی مقادیر بزرگی گرما تولید می کنند که برای جلوگیری از داغ شدن بیش از اندازه و از کار افتادن، این گرما بایستی دفع شود.
یک ماده تغییر فاز دهنده می تواند از چنین اجزایی محافظت کند.گرمای تولید شده از طریق گرمای نهان ذوب ماده تغییر فاز دهنده و بدون افزایش دمای محسوس قطعه جذب می شود.این نوع سیستم کاملًا غیر فعال و بسیار قابل اطمینان است.یک کاربرد عمومی تر کنترل حرارت توسط مواد تغییرفازدهنده برای قطعات الکترونیکی است که عملکردی تناوبی و سیکلی دارند (قطعاتی که در سیکل های روشن خاموش کار می کنند). در این حالت هنگامی که قطعات در طول زمان روشن بودنِ خود گرما تولید می کنند. انرژی گرمای ذوب از طریق رادیاتورها، لوله حرارتی یا سایر وسایل دفع می شود و با منجمد شدن ماده تغییر فاز دهنده برای بخش روشن بعدی مهیا می شود. تغییر متناوب ماده تغییر فاز دهنده از جامد به مایع و برعکس قطعه را قادر می سازد که همواره در یک حالت خیلی نزدیک به همدما عمل کند.در طول ماموریت آپولو ۱۵ سه سیستم کنترل حرارتی با مواد تغییر فاز دهنده روی وسایل گردش در ماه استفاده شده اند.
ذخیره و رهاسازی انرژی از طریق تغییر فاز می تواند در مقیاسی بزرگ تر برای ماموریت های فضایی که محیط فضاپیما و در نتیجه گرمایش آن تغییر می کند به کار گرفته شود.برای مثال یک ماهواره مدارگرد زمین، وقتی که از سایه زمین خارج و یا به آن وارد می شود به طور متناوب با محیط های بسیار متفاوت مواجه می شود.در چنین ماموریت هایی مواد تغییر فاز دهنده برای خنثی کردن تغییرات دمایی بزرگی که یک فضاپیما ممکن است در طول سیکل مداری تجربه کند، می توانند انرژی خورشیدی را ذخیره و رها سازند.
انرژی قطعات الکترونیکی می تواند از طریق لوله های حرارتی به ابزار ذخیره انرژی گرمایی مرکزی منتقل شود، تا بعدا برای کنترل گرما یا تولید انرژی استفاده شود. این بازیافتِ انرژی در سفرهای فضایی طولانی سودمند است. مواد تغییرفازدهنده با دماهای نقطه ذوب بالا می توانند درکنار سیستم های تولید توان الکترونیکی نیز به کار گرفته شوند. رادیاتورها می توانند به منظور جمع کردن انرژی خورشیدی در کنار مواد تغییر فاز دهنده قرار گیرند تا انرژی را از طریق تغییر فاز در نقطه ذوب ذخیره کنند.سپس این انرژی ذخیره شده می تواند با استفاده از اختلاف دمای بزرگ بین رادیاتور و فضای خارج به توان الکتریکی تبدیل شود تا ابزار ترمویونیک یا ترموالکتریک را به کار اندازد.
مواد تغییر فاز دهنده می توانند در رابطه با آزمایش های پرواز فضایی نیز استفاده شوند.بسیاری از آزمایش های حساس با ابزارهایی که به دقت کالیبره شده اند انجام می گیرند.مجموعه های مواد تغییر فاز دهنده می توانند برای بقای پایداری گرمایی یا تضمین شرایط همدما در طول آزمایش در کنار این ابزارها به کار گرفته شوند. مواد تغییر فاز دهنده به علت ظرفیت ذخیره گرمایی همدمای منحصر به فردشان می توانند برای سیستم های حلقه سیال/رادیاتور بسیار سودمند باشند.یکی از این کاربردها در اسکایلب استفاده شده است.سیال خنک کننده که از رادیاتورهای خارجی برمی گردد در طول یک سیکل مداری تغییرات دمایی بزرگی را حس می کند.این تغییرات دمایی خیلی بزرگ مانع عملکرد موثر و بهتر مبدل های حرارتی بودند.
 یک خازن گرمایی با به کارگیری مواد تغییرفازدهنده این تغییرات دمایی را به وسیله ذوب و انجماد متناوب خنثی می کند.بنابراین خازن گرمایی سیال وارد شده به مبدل حرارتی را در یک محدوده دمایی مجاز نگاه می دارد. یک کاربرد دیگر مواد تغییر فاز دهنده در خود رادیاتورهاست.به طور معمول اگر رادیاتور در طول ماموریت در معرض دفع حرارت سیکلی قرار بگیرد بایستی برای نیازمندی های حجم بار ماکزیمم ساخته شود تا عملکرد موفقیت آمیز داشته باشد.اگر ماده تغییر فاز دهنده در کنار رادیاتور قرار بگیرد، رادیاتور می تواند برای نیازمندی های دفع حرارت متوسط طراحی و ساخته شود چون می تواند انرژی را در بار ماکزیمم توسط تغییر فاز ذخیره کند تا بعدا توسط تشعشع به فضا خنثی شود.با استفاده از چنین رادیاتورهایی صرفه جویی در سطح و جرم قابل توجه و زیاد خواهد بود.

کاربرد فناوری نانو در ذخیره‌کننده‌های انرژی حرارتی

توسعه فناوری نانو موجب پیدایش دسته‌ای از مواد نانوساختار با کارایی بالا شده‌است که قابلیت جذب انرژی حرارتی و آزادسازی آن در زمان نیاز را دارند و به مرور کاربردهای صنعتی یافته‌اند.

نانو و میکروکپسوله کردن

در برخی موارد، مواد ذخیره‌کننده حرارت با ابعاد میکرونی یا میلیمتری هستند که معمولاً ساختار هسته-پوسته دارند. هسته ممکن است از نانوکامپوزیت تشکیل شده باشد که یک بخش شامل ماده تغییر فازدهنده و کسر کوچکی از مواد با قابلیت هدایت حرارتی بسیار بالا و نانوذراتی با نقطه ذوب بالاتر نسبت به مواد تغییر فاز دهنده، هستند. پوسته نیز از لایه نازکی از نانوذرات خنثی با قابلیت هدایت بالا است. ماده تغییر فازدهنده در هسته می‌تواند در حین تغییر حالت جامد-مایع، انرژی نهان حرارتی را جذب و آزاد سازد. میکروکپسول می‌تواند به صورت کروی باشد و دیواره هسته را بپوشاند. 

سیستم مذکور امکان جابجایی مواد گازی و مایع را به شکل یک جامد فراهم می‌سازد و همچنین مواد سمی و خطرناک را نیز به راحتی می‌توان با کپسوله کردن جابجا نمود. نوع میکروکپسول عمدتاً به جنس هسته و نحوه تولید پوسته بستگی دارد. انواع کپسول‌ها عبارتند از تک هسته؛ که هسته توسط پوسته احاطه شده‌است، چند هسته؛ که تعداد زیادی هسته داخل یک پوسته قرار دارند و ماده زمینه؛ که ماده هسته به‌طور یکنواخت در ماده پوسته توزیع شده‌است.

کاربرد PCM کپسوله شدن در ساختمان

دیواره‌های پیش ساخته ارزان قیمت بوده و کاربرد زیادی در ساختمان‌سازی دارند و به راحتی می‌توان از PCM در آن استفاده نمود که این امر باعث می‌شود که دور تا دور فضای داخلی ساختمان با مخازن ذخیره‌کننده انرژی حرارتی پوشیده شود. کارایی دیوارهای PCM به چند عامل بستگی دارد که عبارتند از دمای ذوب PCM، محدوده تغییرات دمای دیوار، ظرفیت گرمایی به ازای واحد سطح دیوار، نحوه اعمال PCM به داخل دیوار و شرایط آب و هوایی. استفاده از این دیواره‌ها مانع افزاش دمای محیط داخل ساختمان می‌شود و دما را متعادل نگه می‌دارد. در بسیاری از مناطق دنیا، بتن برای ساخت بناهای مسکونی و تجاری کاربرد وسیعی دارد. بتن به دلیل ظرفیت گرمایی نسبتاً بالا، در طول روز مقدار زیادی گرما از خورشید جذب می‌کند و در هنگام شب این گرما را به ساختمان می‌دهد. برای افزایش ظرفیت گرمایی بتن می‌توان PCMها را داخل آن تعبیه نمود.

نانوالیاف کربنی

مواد تغییر فازدهنده خواص فیزیکی حرارتی ضعیفی دارند، مانند ظرفیت گرمای ویژه و رسانایی حرارتی کم؛ یکی از این مواد متداول عبارت است از نمک‌های یوتکتیک فلزات قلیایی مانند نیترات، کلراید و کربنات سدیم، پتاسیم، لیتیم و کلسیم. با استفاده از وارد کردن نانومواد به داخل مواد مذکور می‌توان خواص حرارتی آن‌ها را بهبود بخشید. به عنوان مثال می‌توان از نانوالیاف کربنی که مقاومت بالایی در برابر خوردگی شیمیایی دارند و با بیشتر PCMها سازگاری دارند، استفاده نمود. رسانایی حرارتی الیاف کربنی به میزان قابل توجهی بالاست و چگالی آن‌ها کمتر از kg/m3 2260 است که بسیار سبک‌تر از فلزات هستند و به عنوان افزودنی کاربرد یافته‌اند.

نانوگرافیت

گرافیت با حفره‌های نانومتری می‌تواند به عنوان محیطی برای اعمال PCM در نظر گرفته شود. به دلیل جاذبه بین گروه‌های عاملی آلی، مقدار زیادی PCM را می‌توان بدون اعمال فشار با ایجاد خلأ داخل گرافیت جا داد. کامپوزیت نانوگرافیت PCM در کاربرد ذخیره‌سازی انرژی حرارتی در طول چند صد سیکل حرارتی باید می‌ماند. رسانایی حرارتی این کامپوزیت ۱۰ برابر بیشتر از ماده تغییرفازدهنده است.

اکسیدها و هیدروکسیدهای نانومتری

از آنجایی که پارافین اشتعال پذیر است. برای حل این مشکل از هیدروکسیدهای فلزی مانند هیدروکسید منیزیم و تری هیدرات آلومینیوم که مانع آتش‌گیری می‌شوند استفاده می‌شود. این هیدروکسیدها به صورت پودر نانومتری به PCM اضافه می‌شوند. گاهی نیز به دلیل اینکه رزین‌های فرمالدهید سمی هستند از مواد غیرآلی مانند SiO2 به عنوان پوسته استفاده می‌شود که یک ماده آمورف و PCM مانند پارافین داخل آن قرار می‌گیرد؛ از طرف دیگر SiO2 ضد آتش بوده و ظرفیت گرمایی پارافین را افزایش می‌دهد.