DE102005049221A1

DE102005049221A1 - Vakuumröhrenkollektormodul

Info

Publication number: DE102005049221A1
Application number: DE102005049221A
Authority: DE
Inventors: Horst Müller; Helmut Prof. Dr. Stach
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2005-10-10
Filing date: 2005-10-10
Publication date: 2007-04-12

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Vakuumröhrenkollektormodul mit einer Sammeleinrichtung und mit Zuleitung und Ableitung für ein Wärmeträgermedium, die mit mindestens einem U-Rohr 4 innerhalb eines Mantelrohres 3 verbunden sind. Das Mantelrohr 3 weist auf der Innenseite die Verspiegelung 10 auf. Die Schenkel des U-Rohres 4 sind an den Kopfteil 6 forschlüssig und asymmetrisch angefügt und werden durch wenigstens zwei Halteklammern 8 und eine Federklammer 9 fixiert. Jeweils zwei mit der Ableitung 7' und mit der Zuleitung 7 verbundene Steckstutzen 11; 11' sitzen formschlüssig mittels der flexiblen Dichtungen 12 in jeweils einem Zulauf 5 und einem Ablauf 5'. Die Rahmenteile 13; 13' weisen Federlager 14; 14' auf, zwischen denen sich die Druckspannung ausübenden Federn 15; 15' befinden. Die Dichtungen 12; 12' sind bevorzugt an die Steckstutzen 11; 11' angeformte Lippendichtungen. Die Vorteile des Vakuumröhrenkollektormoduls bestehen in seiner einfachen Herstellbarkeit, einer leichten Montierbarkeit und in seiner Wartungsfreundlichkeit.

Description

Die Erfindung betrifft einen Vakuumröhrenkollektormodul mit einer Sammeleinrichtung, die mindestens eine Zuleitung und eine Ableitung für ein Wärmeträgermedium aufweist und die jeweils mit mindestens einem U-Rohr mit einem Zulauf und einem Ablauf innerhalb eines Mantelrohres verbunden sind und der zur Speicherung von Sonnenenergiewärme dient.

Die U-förmig durchflossenen Röhrenkollektoren gehören zu den marktüblichen Kollektoren mit direkt durchströmtem Absorber. Die Kollektoren sind aus einem Stück gefertigt und weisen lediglich einen zylindrischen Rohrmantel mit einem Bodenauszug und einem Kopfteil auf, in das ein U- Rohr formschlüssig mit seinen zwei gleichförmig gestalteten Rohrschenkeln eingelassen ist. Zwischen dem Bodenauszug und dem Knie des U-Rohres besteht ein gewisser räumlicher und fertigungsbedingt notwendiger Abstand. Zwischen dem Rohrmantel und dem U-Rohr ist ein Vakuum vorhanden, das im Interesse eines hohen Kollektorwirkungsgrades hochgradig und langzeitstabil sein muß. Die der Einstrahlung zugewandte rückseitige und halbkreisförmige Abschnitt des Rohrumfangs ist mit einer konkaven, schalenartig ausgebildeten Spiegelschicht versehen. Die beiden Schenkeln sind so auf zwei Längsachsen im zylindrischem Rohrmantel angeordnet, daß sie jeweils durch einen Fokus einer Ellipse verlaufen, die sich an den verspiegelten rückseitigen Umfang des Rohrmantels etwa zu einem Drittel des Rohrumfangs anschmiegt.

Es sind bereits durchströmte Röhrenkollektoren bekannt, bei denen die Absorberfläche durch einen auf die durchströmten Rohre aufgesetzten Zylindermantel ( US 3,227,153 A ) oder innerhalb einer zylindrischen Rippenkonstruktion vergrößert wird. In einer Schrift DE 298 01 531 U1 wird ein U-rohrähnliches Tauchrohr, bestehend aus zwei getrennten Hälften und mit einem innenliegenden zylinderförmigen Absorber eingesetzt. Die zwei Schenkel der U- Form verlaufen in einer diametralen Ebene und können deshalb nicht die Vorteile einer vergrößerten Absorberfläche eines bifokal durchströmten Kollektors nutzen. Die Stellen der Verschmelzung zwischen Rohrmantel und Kopfteil, sowie die des Kopfteiles mit den Rohrschenkeln sind wie in der DE 26 18 651 nicht ohne Schwierigkeiten dauerhaft abzudichten. Beide müssen durch den Kopfteil hindurchgeführt und mit diesem vakuumfest verbunden sein. Es treten an den Verbindungsstellen vermehrt Wärmespannungen auf, die zu Mikrorissen führen, vor allem in den zwei Stellen der Durchdringung mit dem Kollektorkörper. Die Verwendung von unterschiedlichen Glasmaterialien mit unter Temperatureinfluß auch ungleichen Erweichungspunkten oder von nachgiebigen Rohrdurchführungen mit einer Einschmelzung aus Metallen ( DE 30 45 604 C2 ) beseitigt diese Erschwernisse einer erforderlich langzeitigen und standfesten Abdichtung noch nicht.

Die U-Rohre müssen mit jeweils einer Sammeleinrichtung verbunden sein, die jeweils getrennte Zuläufe und Abläufe besitzt. Hier sind zusätzliche schlauchförmige Verbindungen einzelner Kollektoren wie in der Schrift DE 27 33 420 A1 erforderlich. Es werden aus Gründen der mechanischen Stabilität meist halbstarre Dichtungen verwendet, die für das Mantelrohr auch eine tragende Funktion sowie eine gewisse lagefixierende und stabilisierende Stützwirkung für den Kollektormantel und insgesamt den Modul aufweisen müssen. Bekannt sind Anschlüsse, so aus der Technik der Wärmeaustauscher, wie in DE 32 44 496 A1 , DE 37 03 841 A1 , DE 37 11 545 A1 und DE 41 21 301 A1 , die in der Regel aufwendige Dicht- und Befestigungselemente in Form von Schraub- oder Klemmverbindern, auch in Form von Arretierflanschen aufweisen. Es ist montagetechnisch schwierig und erfordert Vorsicht sowie besondere Vorkehrungen bei der Montage, um abdichtende Fittings auf Glasstutzen aufzubringen und um beide miteinander sowie mit anderweitigen Leitungen zu verbinden. Ein gedrängtes Aneinandersetzen der zueinander parallel angeordneter Röhrenkollektoren, um damit insgesamt eine hohe Energiedichte des Moduls einzustellen, ist wegen der eingeschränkten Räumlichkeit unter Verwendung der sperrigen Fittings nicht möglich. Vorteilhaft sind deshalb Steckverbinder, die bereits auch von Wärmeaustauschern bekannt sind und die eine verläßliche Abdichtung gegenüber Wärmeträgermedien bis in den unteren Mitteldruckbereich hinein ermöglichen. Bei Kollektoren, die für die Führung von Flüssigkeiten Koaxialrohre nutzen, gestalten sich die Verteiler durch die seitlich eingebrachten und verschmutzungsanfälligen Bohrungen ( DE 43 08 626 C1 , US 3,952,724 A ) oder eingebrachte Hohlnippel ( DE 101 02 825 C1 ; EP 1 354 170 B1 ) noch kompliziert.

Die U- Rohre müssen innerhalb des Rohrmantels so gehaltert werden, daß ihre Lagefixierung innerhalb der Fokusbereiche sowie ein temperaturbedingt erforderlicher Ausgleich in ihrer Längsausdehnung ermöglicht wird. Das erfolgt über Klammern, die einerseits am Innenumfang des Mantelrohres zumindest teilweise federnd anliegen, aber andererseits beide Schenkel arretieren und zusätzlich eine erforderliche geringe Querausdehnung zulassen. Das wird besonders geboten, wenn für angestrebt hohe Leistungsdichten bisher unüblich lange Rohre verwendet werden. In einer Schrift US 3,227,153 werden hierzu gerollte und spiralförmig gewickelte Klemmfedern in den Rohrmantel eingeführt und hier festgehalten, wobei die Schenkel innerhalb einer Art Kern der Spirale durch Klemmen lagefixiert sind. In der Regel bedecken die Federn den gesamten Innenumfang des Mantelrohres und schatten dabei das U-Rohr ab, zumindest an wenigen Stellen.

Zusätzlich befinden sich bei bekannten Rohrkollektoren Getter, die vor dem Beginn ihres Betriebes gezündet werden ( DE 25 23 965 , DE 29 33 901 ), um das bereits vorher erzeugte Vorvakuum zu erhöhen. Üblich werden tablettenförmige Getter verwendet, die jedoch beim Zünden aufgrund ihrer Kompaktheit zu einem momentanen Reaktionsablauf unter einer starken und nachteiligen Entwicklung von Niederschlägen neigen, besonders auf der Verspiegelung.

Es ist Aufgabe der Erfindung, die Nachteile der unzweckmäßigen Durchdringung der Schenkel durch den Kopfteil, einer Dichtung mittels speziell gestalteter Fittings, der Verschattung aktiver Teile der Absorberschicht durch Klammern sowie die nachteiligen Folgen der Bedampfung des Spiegels mit dem Getterstoff zu vermeiden.

Das wird gelöst, indem das U-Rohr fest in den Kopfteil des Kollektors mit dem Mantelrohr eingeführt und hier einfach mit einer üblichen und bewährten trichterförmigen Übergangszone verschmolzen wird. Dabei werden auch Glaskörper unterschiedlicher Eigenschaften verwendet, die vorwiegend jedoch aus Quarz- und Duranglas bestehen. Der Rohrmantel ist in seinem Inneren halbseitig mit einer Silberschicht hoher Beständigkeit verspiegelt. Die beiden Schenkel des U-Rohres sind über ihre gesamte Länge und über ihren kreisörmigen Umfang beidseitig bis unter den Kopfteil mit einer dunkelfarbenen Absorberschicht bedeckt, die bevorzugt aus unterstöchiometrischem Aluminiumoxid besteht.

Die Federklammern bestehen aus einem längeren Stahlband, das innen im Mantelrohr zu etwa zwei Dritteln seines Umfangs anliegt und aus zwei gleichen kürzeren Federstahlbändern geringeren Querschnitts, die die Schenkel des U-Rohres arretieren.

Die Bänder sind formschlüssig und punktförmig miteinander verbunden. Überraschend wurde gefunden, daß nach dem Zünden des nach unten geöffneten kreisringformigen Getters in der vertikalen Lage des Kollektors die nachteilige Bedampfung des Spiegels mit niedergeschlagenen Partikeln des Getterstoffes beträchtlich vermindert wird und sich auf einen kleinen unteren Bereich in Nähe des Fußteiles beschränkt.

Der Kopfteil des Kollektors weist einen speziellen noppenartigen Vorsprung in Form eines Federlagers auf, das einseitig einen Begrenzungsring einer Druckfeder aufnehmen kann.

Der Rahmen des Moduls wird aus handelsüblichen Profilen, insbesondere aus T-trägerartigen Profilen, und in Form eines Rechteckes zusammengesetzt. Unterhalb der quergerichteten Strebe des oberen Rahmenprofils sind eine Zuleitung und eine Ableitung für das Wärmeträgermedium angeordnet, die mindestens zwei steckbare Stutzen für das U-Rohr des Kollektors aufweisen. Die Stutzen weisen an ihren Enden Dichtungen auf, die ihre flüssigkeitsdichte Anbindung sowohl an den Zulauf als auch den Ablauf gewährleisten und einen gewissen Winkel- und Längenausgleich bei der Montage zulassen. Auf die Stutzen können zusätzlich steckbare Kappen mit kreisringförmiger Öffnung für den Zu- und Ablauf aufgesteckt werden, die aus einem abdichtenden Material bestehen und mit dem Kopfteil fest verbunden sind.

Im oberen Rahmenprofil befindet sich an der mittleren Strebe ebenfalls ein Federlager, das den zweiten und oberen Begrenzungsring der Druckfeder aufnimmt.

Das gleichartig ausgeführte untere Rahmenprofil weist ebenfalls zwei noppenförmige Federlager auf, zwischen denen eine zweite Druckfeder mittels ihrer Begrenzungsringe eingespannt ist. Im Unterschied zu den Federlagern am oberen Rahmenprofil weist das am unteren Rahmenprofil nach oben gegen den Kollektor gerichtete Federlager ein Widerlager auf, gegebenenfalls mit einer elastischen Zwischenschicht, die den unteren ausgezogenen Teil des Mantelrohres schonend unter einer Druckspannung aufnimmt und gleichzeitig zentriert.

Der Rahmen des Moduls wird schräg auf einer Dachfläche angebracht. In der Regel ist es ausreichend, den Rohrmantel über beide Druckfedern innerhalb des modulartigen Rahmens einzuspannen, wobei die Stutzen des Zulaufs und des Ablaufs mit ihren Dichtungen eine zusätzliche Halterung des Kollektors bewirken. Bei besonders langen Mantelrohren ist zumindest eine zusätzliche Halterung in Form eines schalenförmigen Rinneneisens vorgesehen, das als Stütze zum Abfangen des Eigengewichtes des Kollektors dient.

Vorteilhaft werden durch die Druckfedern die Längsausdehnungen des Kollektors während seines Betriebes kompensiert, die temperaturbedingt unter dem Einfluß der tageszeitlichen Strahlungsperioden auftreten.

Der Vakuumröhrenkollektor ist vorteilhaft in einer Ganzglasausführung ausgestaltet. Die Zuleitung und die Ableitung mit den entsprechend an ihnen kammartig angebrachten Steckstutzen besteht aus einem Kunststoff. Der Rahmen des Moduls besteht aus einem Leichtmetall oder gegebenenfalls gleichfalls aus einem Kunststoff, der faser- oder strebenarmiert ist.

Die Dichtungen zwischen jeweils einem Steckstutzen und dem Zulauf sowie dem Ablauf des U- Rohres können aus dem gleichen Material wie aus dem der Steckstutzen bestehen. Vorteilhaft werden mehrfach anliegende Lippendichtungen vorgesehen.

In einer Variante der Erfindung werden die Zuleitung und die Ableitung gemeinsam mit den Steckstutzen und dem oberen Rahmenteil aus einem faserverstärkten Kunststoff einstückig ausgeführt.

Die Vorteile des Vakuumröhrenkollektormoduls bestehen in seiner Einfachheit, leichter Montierbarkeit und in seiner Wartungsfreundlichkeit.

In der zugehörigen Figur zeigt:
Figur: Einen Vakuumkollektormodul in drei Höhenquerschnitten und mit einem Detail X des Rahmens und des Kopfteiles.
Beispiel
Der Modul 1 besteht aus einzelnen parallel angeordneten Vakuumröhrenkollektoren 2. Jeweils innerhalb eines Mantelrohres 3 wird ein U- Rohr 4 asymmetrisch in dem Kopfteil 6 eingeschlossen. Das Mantelrohr 3 weist auf der Innenseite eine schalenförmige Verspiegelung 10 auf, die sich über den halben Rohrumfang erstreckt. Das U-Rohr 4 besitzt einen Zulauf 5 und einen Ablauf 5'. Mindestens ein Zulauf 5 ist mit einer Zuleitung 7, und entsprechend mindestens ein Ablauf 5' mit einer Ableitung 7' verbunden. Die Schenkel des U- Rohres 4 sind an den Kopfteil 6 formschlüssig und asymetrisch angefügt und werden durch wenigstens zwei Halteklammern 8 fixiert, die ihrerseits jeweils mit mindestens einer Federklammern 9 verbunden sind.
Jeweils zwei Steckstutzen 11; 11', die mit der Zuleitung 7 und der Ableitung 7' verbunden sind, sitzen formschlüssig mittels der flexiblen Dichtungen 12 in jeweils einem Zulauf 5 und einem Ablauf 5'.
Der Modul 1 besteht aus einem oberen Rahmenteil 13 und einem unteren Rahmenteil 13', die rechteckförmig durch zwei gleichartige Seitenteile miteinander verbunden sind. Die Rahmenteile 13; 13' weisen Federlager 14 auf. Entsprechende Federlager 14' sind einerseits am Kopfteil 6 und andererseits am Fußteil 6' des Mantelrohres 3 befestigt. Zwischen den entsprechenden Federlagern 14; 14' befinden sich die spiralförmigen und eine Druckspannung ausübenden Federn 15; 15'. Ein zentrierendes Widerlager 16 dient einer formschlüssigen Halterung des Mantelrohres 3 an dessen Fußteil 6'.
In einer Ebene unterhalb des Kniestücks des U- Rohrs befindet sich ein kreisringförmiger Getter 17, der durch mindestens drei Noppen 18 innerhalb des Mantelrohrs 3 klemmend gehaltert wird.
Die Dichtungen 12; 12' sind bevorzugt Lippendichtungen, die an die Steckstutzen 11; 11' angeformt sind.

1: Modul
2: Vakuumröhrenkollektor
3: Mantelrohr
4: U- Rohr
5: Zulauf
5': Ablauf
6: Kopfteil
6': Fußteil
7': Zuleitung
7': Ableitung
8: Halteklammer
9: Federklammer
10: Verspiegelung
11: Steckrohr
11': Steckrohr
12: Dichtung
12': Dichtung
13: Rahmenteil
13': Rahmenteil
14: Federlager
14': Federlager
15: Feder
15': Feder
16: Widerlager
17: Getter
18: Noppe

Claims

Vakuumröhrenkollektormodul mit einer Sammeleinrichtung, die mindestens eine Zuleitung und eine Ableitung für ein Wärmeträgermedium aufweist und die jeweils mit mindestens einem U-Rohr mit einem Zulauf und einem Ablauf innerhalb eines Mantelrohres verbunden sind, gekennzeichnet dadurch, daß der Modul (1) aus mindestens einem Vakuumröhrenkollektor (2) besteht, jeweils innerhalb eines Mantelrohres (3) ein U-Rohr (4) asymmetrisch im Kopfteil 6 eingeschlossen ist, das Mantelrohr (3) auf der Innenseite eine schalenförmige Verspiegelung (10) aufweist, die sich über den halben Rohrumfang erstreckt, das U-Rohr (4) einen Zulauf (5) und einen Ablauf (5') besitzt, mindestens ein Zulauf (5) an einer Zuleitung (7) und mindestens ein Ablauf (5') an einer Ableitung (7') angeschlossen ist, die Schenkel des U- Rohres (4) durch wenigstens zwei Halteklammern (8) fixiert und ihrerseits jeweils mit mindestens einer Federklammer (9) verbunden sind, jeweils zwei Steckstutzen (11; 11') mit der Zuleitung (7) und der Ableitung (7') vereinigt sind und formschlüssig über die flexiblen Dichtungen (12) in jeweils einem Zulauf (5) und einem Ablauf (5') sitzen, der Modul (1) aus einem oberen Rahmenteil (13) und einem unteren Rahmenteil (13') besteht, die rechteckförmig durch zwei gleichgestaltete Seitenteile miteinander verbunden sind, die Rahmenteile (13; 13') Federlager (14) aufweisen, ein Federlager (14') am Kopfteil (6) und am Fußteil (6') des Mantelrohres (3) befestigt ist, sich zwischen den entsprechenden Federlagern (14; 14') die spiralförmigen und eine Druckspannung ausübenden Federn (15; 15') befinden und ein zentrierendes Widerlager (16) einer formschlüssigen Halterung des Mantelrohres (3) an dessen Fußteil (6') dient und sich in einer Ebene unterhalb des Kniestückes des U- Rohres ein kreisringförmiger Getter (17) befindet, der durch mindestens drei Noppen (18) innerhalb des Mantelrohres (3) klemmend gehaltert wird.
Vakuumröhrenkollektormodul nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß die Dichtungen (12; 12') bevorzugt Lippendichtungen darstellen, die an die Steckstutzen (11; 11') angeformt sind.
Vakuumröhrenkollektormodul nach Anspruch 1 und 2, gekennzeichnet dadurch, daß sich über den Steckstutzen (11; 11') Kappen mit kreisringförmiger Öffnung für den Zulauf (5) und den Ablauf (5') befinden, die mit dem Kopfteil (6) fest verbunden sind.
Vakuumröhrenkollektormodul nach Anspruch 1 bis 3, gekennzeichnet dadurch, daß der Kollektor in einer Ganzglasausführung ausgebildet ist, die Zuleitung (7) und die Ableitung (7') mit den entsprechend kammartig angebrachten Steckstutzen (11; 11') bevorzugt aus einem Kunststoff besteht und der Rahmen des Moduls aus einem Leichtmetall oder gegebenenfalls aus einem gleichen Kunststoff besteht, der faser- oder strebenverstärkt ist.
Abgeänderter Vakuumröhrenkollektormodul nach Anspruch 3, gekennzeichnet dadurch, daß die Zuleitung (7) und die Ableitung (7'), gemeinsam mit mit den Steckstutzen (11; 11') und dem oberen Rahmenteil (13) aus einem faserverstärkten Kunststoff einstückig ausgeführt wird.