DE102008019888A1

DE102008019888A1 - Verbesserte Wärmetauscheranlage

Info

Publication number: DE102008019888A1
Application number: DE102008019888A
Authority: DE
Inventors: Bradely E. Westlake Reis; John Broadview Heights Schober; Prathib Cleveland Skandakumaran; Gregory Lyndhurst Kramer; Robert Anderson Bay Village Reynolds
Original assignee: Graftech International Holdings Inc
Current assignee: Neograf Solutions LLC
Priority date: 2007-10-22
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2009-04-23
Also published as: WO2009055081A1; US20090101306A1; KR20090040831A; EP2208004A1; JP3164431U; CN201844471U

Abstract

Bereitgestellt wird eine Wärmetauscheranlage, besonders für einen Raum, mit einem Wärmeelement, das aufweist: eine Oberfläche; einen Wärmespreizer mit mindestens einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen, die eine Dichte von mindestens etwa 0,6 g/cm3 und eine Dicke unter etwa 10 mm haben, und ferner mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei der Wärmespreizer relativ zum Wärmeelement so positioniert ist, dass der Wärmespreizer mindestens teilweise um das Wärmeelement gewickelt ist, so dass die erste Seite des Wärmespreizers in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem Abschnitt der Wärmeelementoberfläche steht.

Description

Die Erfindung betrifft eine verbesserte Wärmetauscheranlage, insbesondere eine Strahlungsheizanlage, die für größeren und gleichmäßigeren sowie effizienteren Wärmestrom in den durch die Strahlungsheizanlage beheizten Raum sorgt. Insbesondere sieht die erfindungsgemäße Strahlungsheizanlage einen Wärmespreizer vor, der mindestens eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen aufweist, die in Wärmekontakt mit einem solchen Wärmeelement wie einem Strahlungsheizelement steht, um dessen Leistung zu verbessern.
Wärmetauscheranlagen, zu denen sogenannte Strahlungsheizanlagen, z. B. Fußbodenstrahlungsheiz- und Wandstrahlungsheizanlagen, sowie Strahlungskühlanlagen und Solarheizkollektoren gehören, sind Techniken zur Wärmeübertragung zwischen zwei Medien (allgemein einem Wärmeelement und der Luft in einem Raum), z. B. zum Heizen und Kühlen von Räumen in einem Wohn- oder Geschäftsgebäude für den Komfort von Mensch und Tier. Speziell wärmt Strahlungsheizung Menschen direkt durch Strahlung sowie die Oberflächen eines Raums: den Fußboden, die Wände, die Möbel, die zu Wärmespeichern werden, die ihre Wärme an die kühlere Umgebung langsam abgeben. Danach nehmen Menschen und Tiere im Raum diese Wärme nach Bedarf auf. Während sich diese Offenbarung auf Strahlungsheizanlagen konzentriert, sind in der Erfindung auch Strahlungskühlanlagen und Solarkollektoren erwogen, die äquivalent funktionieren (außer daß bei Solarkollektoren die "Richtung" der Wärmeübertragung umgekehrt ist: Wärme aus der Umgebung (d. h. von der Sonne) wird zum Wärmeelement übertragen).
In einer Fußbodenstrahlungsheizanlage werden die warmen Temperaturen auf Fußbodenhöhe gehalten und strahlen nach o ben; damit werden "warme Taschen" von Luft vermieden, die sich auf Deckenhöhe bilden, da die Heizanlage keine zirkulierende Luft verwendet. Tatsächlich spürt man bei der Fußbodenstrahlungsheizung kühlere Temperaturen in Kopfhöhe und wärmere Temperaturen in Fußhöhe, was viele in Komfort und Wärme als hervorragend empfinden.
Strahlungsheizanlagen sind Alternativen zu den herkömmlichen Heizanlagen, z. B. Gebläsewarmluft, einzelne Radiatoren und Sockelheizkörper, und können entweder elektrisch arbeiten (d. h. ein Widerstandselement verwenden) oder Wärme durch strömende Medien übertragen (d. h. erwärmtes Fluid verwenden, besonders Wasser). Die typische elektrische Strahlungsheizanlage besteht aus einem Widerstandselement mit der geeigneten Verdrahtung und der zugehörigen Schaltung. Die typische Warmwasser-Strahlungsheizanlage besteht aus einem Kessel zur Wassererwärmung, einer Pumpe, einer Vorlaufleitung, einer flexiblen Heizleitung, die im gesamten Fußboden des zu beheizenden Raums eingebettet ist, einer Rücklaufleitung und einem Thermostaten zum Regeln des Kessels. Gestaltet wurden Warmwasseranlagen für solche Anwendungen wie nicht unterkellerte Fußbodenplatten, Dünnestrich, Unterbodenheftung usw., was auf der Website der Radiant Panel Association ersichtlich ist (www.radiantpanelassociation.org). Erwärmtes Wasser wird vom Kessel durch die Vorlaufleitung, die Heizleitung und die Rücklaufleitung zurück zum Kessel gepumpt. Wie erwähnt, haben diese Anlagen mehrere Vorteile gegenüber anderen Heizanlagen und sorgen für gleichmäßige Wärme für einen Raum. Da zudem die Wärmequelle nicht wie bei einer Gebläsewarmluft-, Einzelstrahler- oder Sockelheizkörperanlage lokalisiert ist, muß das Warmwasser nur auf eine Temperatur erwärmt werden, die etwas über der gewünschten Raumtemperatur liegt. Beträgt z. B. die gewünschte Raumtemperatur 70°F, muß das Wasser je nach Außentemperatur eventuell nur auf etwa 90°F statt auf etwa das Doppelte wie bei anderen Heizanlagen erwärmt werden.
Strahlungsheizanlagen nutzen ein Heizelement in einer Fußboden- oder Wandstruktur, um Wärme ohne sichtbare Strahler oder Heizlamellen zu transportieren und zu verteilen. Dazu ist das Heizelement, z. B. ein Schlauch, insbesondere ein fester, flexibler Kunststoffschlauch wie aus vernetztem Polyethylen, als PEX-Schlauch bezeichnet, allgemein in einem solchen Material wie einem Fußboden-Zwischensubstrat eingebettet; zum Beispiel kann bei der Fußbodenstrahlungsheizung der Schlauch in einem einzigen kontinuierlichen Betonestrich eingebettet sein, der unter dem fertigen Fußboden gegossen ist, wenngleich auch Anwendungen zum Einsatz kamen, die leichtere Materialien wie Styropor^®-Materialien verwenden. Warmwasser wird durch den Schlauch zirkuliert, und die Wärme in dem den Schlauch durchströmenden Zirkulationsfluid wird durch Wärmeleitung zum Betonestrich übertragen. Der Beton speichert die Wärme und strahlt sie ab, was die Luft sowie Menschen und Gegenstände im Raum und nicht nur die Luft im Raum erwärmt und somit kostengünstiger sein und Wärmeverlust reduzieren kann. Ferner können solche Anlagen zum Kühlen verwendet werden, wobei kälteres oder Kaltwasser durch die Anlage geführt wird; solche Kühlanlagen können z. B. in Wänden oder Decken eingebettet sein.
In der Praxis lassen sich solche Anlagen herstellen, indem ein Unterboden bereitgestellt wird, der Schlauch über dem Unterboden verlegt wird und dann ein einzelner kontinuierlicher Beton- oder Gipsestrich, z. B. THERMA-FLOOR^® von Maxxon Corporation, um und über dem Schlauch gegossen wird. Für den Schlauch wird allgemein ein Kunststoffmaterial verwendet, z. B. Polyethylen oder Polybutylen, das den Vorteil hat, daß es sich bei Temperaturschwankungen nicht dehnt und zusammenzieht. Härtet der Beton oder Gips, wirkt er als Wärmespeichermasse für die Anlage. Der Beton- oder Gipsunterbau oder -estrich wird in flüssiger Form über die gesamte Oberfläche gegossen und härtet so aus, daß er den Schlauch einschließt.
Ein Nachteil beim Einsatz von Strahlungsheizanlagen sind die Kosten für die Herstellung einer ausreichenden Schlauchanordnung über die zu beheizende Oberfläche, um für die gewünschte gleichmäßige Heizung zu sorgen. Zum Beispiel zeigt sogar eine Schlauchanordnung mit einem typischen Abstand von 6 bis 12 Zoll erhebliche Temperaturungleichmäßigkeit auf Fußbodenhöhe, was von Benutzern oft direkt bemerkt und gespürt wird, wenn sie auf einem Fußboden laufen. Dazu kommt, daß die Ineffizienz der Wärmeübertragung vom Schlauch selbst dazu zwingt, das durchströmende Fluid auf eine höhere Temperatur zu erwärmen, um ausreichend Wärme zum Raum zu übertragen, was die Anlage weniger energieeffizient macht. Erwünscht ist daher eine Maximierung der von einer Strahlungsheizanlage bereitgestellten Wärme, Reduzierung des Energieverbrauchs sowie verbesserte Gleichmäßigkeit und Verteilung der Wärme, die im Strahlungsheizanlagenschlauch bereitgestellt wird.
Die US-A-7132629 (Guckert et al.) beschreibt eine "leichtgewichtige Wärmeleitplatte", in der der Schlauch einer Strahlungsheizanlage eingebettet ist. Die "Platte" nach Guckert et al. weist eine Matte mit niedriger Dichte aus komprimierten Blähgraphitteilchen auf. Die Anlage nach Guckert et al. ist auch umständlich, da sie dick und schwierig zu transportieren ist und das Einbetten der Schläuche in der Graphitmatte mit damit zusammenhängenden Zerfallsbefürchtungen usw. erfordert. In einer Entwicklung, die überraschende Vorteile gegenüber dem Blähgraphiteinsatz bei Guckert et al. zeigt, offenbart die US-Patentveröffentlichung Nr. US 2006/ 0272796 , deren Offenbarung hierin durch Verweis eingefügt ist, ein Fußbodensubstrat, das in Wärmekontakt sowohl mit einem Strahlungsheizelement als auch mit einer hochdichten Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen steht, so daß die Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen Temperaturschwankungen auf einem Fußbodenbelag reduziert, der über der Strahlungsheizanlage liegt, und die Wärmeübertragung zum Fußboden in folge ihrer Flexibilität und Formanpaßbarkeit an den Fußboden maximiert.
Graphite sind aus Schichtebenen hexagonaler Anordnungen oder Netze aus Kohlenstoffatomen hergestellt. Diese Schichtebenen hexagonal angeordneter Kohlenstoffatome sind im wesentlichen flach und so orientiert oder geordnet, daß sie im wesentlichen parallel und abstandsgleich zueinander sind. Die im wesentlichen flachen, parallelen abstandsgleichen Bahnen oder Schichten aus Kohlenstoffatomen, gewöhnlich als Graphenschichten oder Basalebenen bezeichnet, sind miteinander verknüpft oder verbunden, und Gruppen davon sind in Kristalliten angeordnet. Hochgeordnete Graphite bestehen aus Kristalliten mit erheblicher Größe, wobei die Kristallite stark zueinander ausgerichtet oder orientiert sind und wohlgeordnete Kohlenstoffschichten haben. Anders gesagt haben hochgeordnete Graphite einen hohen Grad an bevorzugter Kristallitorientierung. Zu beachten ist, daß Graphite anisotrope Strukturen besitzen und dadurch viele Eigenschaften zeigen oder besitzen, die stark richtungsabhängig sind, z. B. Wärme- und elektrische Leitfähigkeit.
Kurz gesagt lassen sich Graphite als laminierte Kohlenstoffstrukturen charakterisieren, d. h. Strukturen, die aus übereinanderliegenden Schichten oder Lagen aus Kohlenstoffatomen bestehen, die durch schwache van-der-Waalsche Kräfte miteinander verbunden sind. Bei der Betrachtung der Graphitstruktur geht es gewöhnlich um zwei Achsen oder Richtungen: die "c"-Achse oder Richtung und die "a"-Achsen oder Richtungen. Der Einfachheit halber kann die "c"-Achse oder Richtung als Richtung senkrecht zu den Kohlenstoffschichten betrachtet werden. Die "a"-Achsen oder Richtungen können als Richtungen parallel zu den Kohlenstoffschichten oder als Richtungen senkrecht zur "c"-Richtung gelten. Die zur Herstellung flexibler Graphitbahnen geeigneten Graphite besitzen einen sehr hohen Orientierungsgrad.
Wie zuvor erwähnt, sind die Bindungskräfte, die die parallelen Schichten aus Kohlenstoffatomen zusammenhalten, nur schwache van-der-Waalsche Kräfte. Naturgraphite können so behandelt werden, daß der Abstand zwischen den übereinanderliegenden Kohlenstoffschichten oder -lagen erheblich erweitert werden kann, um für eine ausgeprägte Expansion in senkrechter Richtung zu den Schichten zu sorgen, d. h. in "c"-Richtung, und dadurch eine expandierte oder intumeszente Graphitstruktur zu bilden, in der der laminare Charakter der Kohlenstoffschichten im wesentlichen gewahrt bleibt.
Flockengraphit, der stark expandiert und insbesondere so expandiert wurde, daß er eine Enddicke oder ein "c"-Richtungsmaß hat, das mindestens etwa das 80-fache des ursprünglichen "c"-Richtungsmaßes beträgt, läßt sich ohne Verwendung eines Bindemittels zu zusammenhängenden oder integrierten Bahnen aus expandiertem Graphit ausbilden, z. B. Bahnen, Papieren, Streifen, Bändern, Folien, Matten o. ä. (im Handel normalerweise als "flexibler Graphit" bezeichnet). Man geht davon aus, daß die Bildung von Graphitteilchen, die so expandiert wurden, daß sie eine Enddicke oder ein "c"-Maß haben, das mindestens etwa das 80-fache des ursprünglichen "c"-Maßes beträgt, zu integrierten flexiblen Bahnen durch Kompression ohne Verwendung eines Bindematerials infolge des mechanischen Ineinandergreifens oder der Kohäsion möglich ist, die zwischen den im Volumen expandierten Graphitteilchen erreicht wird.
Neben der Flexibilität wurde auch festgestellt, daß das o. g. Bahnenmaterial einen hohen Grad an Anisotropie im Hinblick auf Wärmeleitfähigkeit infolge von Orientierung der expandierten Graphitteilchen und Graphitschichten im wesentlichen parallel zu den entgegengesetzten Flächen der Bahn als Ergebnis sehr hoher Kompression besitzt, was es in Wärmeverteilungsanwendungen besonders nützlich macht. So hergestell tes Bahnenmaterial hat ausgezeichnete Flexibilität, gute Festigkeit und einen hohen Orientierungsgrad.
Kurz gesagt weist das Verfahren zur Herstellung von flexiblem, bindemittelfreiem anisotropem Graphitbahnenmaterial, z. B. als Bahn, Papier, Streifen, Band, Folie, Matte o. ä., den Schritt des unter einer vorbestimmten Last und in Abwesenheit eines Bindemittels erfolgenden Komprimierens oder Kompaktierens expandierter Graphitteilchen auf, die ein "c"-Richtungsmaß haben, das mindestens etwa das 80-fache der ursprünglichen Teilchen beträgt, um eine im wesentlichen flache, flexible, integrierte Graphitbahn zu bilden. Sobald sie komprimiert sind, behalten die expandierten Graphitteilchen, die allgemein wurmartig oder vermiform aussehen, den Druckverformungsrest und die Ausrichtung zu den entgegengesetzten Hauptflächen der Bahn bei. Die Dichte und Dicke des Bahnenmaterials kann durch Steuern des Kompressionsgrads variiert werden. Die Dichte des Bahnenmaterials kann im Bereich von etwa 0,04 g/cm³ bis etwa 2,0 g/cm³ liegen.
Das flexible Graphitbahnenmaterial zeigt einen nennenswerten Anisotropiegrad infolge der Ausrichtung von Graphitteilchen parallel zu den entgegengesetzten, parallelen Hauptflächen der Bahn, wobei der Anisotropiegrad beim Komprimieren des Bahnenmaterials zur Orientierungserhöhung zunimmt. In komprimiertem anisotropem Bahnenmaterial weist die Dicke, d. h. die Richtung senkrecht zu den entgegengesetzten, parallelen Bahnoberflächen, die "c"-Richtung auf, und die Richtungen im Längen- und Breitenbereich, d. h. entlang oder parallel zu den entgegengesetzten Hauptflächen, weisen die "a"-Richtungen auf, wobei sich die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Bahn für die "c"- und "a"-Richtungen um Größenordnungen stark unterscheiden.
Erwünscht sind daher ein Material und eine Anlage zur Verbesserung der Gleichmäßigkeit von Wärme, die von einer Strahlungsheizanlage bereitgestellt wird, sowie des von einer
Strahlungsheizanlage erhaltenen Wärmestroms, wobei die anisotropen Eigenschaften einer oder mehrerer Bahnen aus komprimierten Blähgraphitteilchen genutzt werden.
In einer Ausführungsform der Erfindung wird ein Wärmespreizer bzw. -verteiler für eine Wärmetauscheranlage mit einem solchen Wärmeelement wie einem Strahlungsheizelement bereitgestellt, wobei der Wärmespreizer mindestens eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen aufweist.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung steht der erfindungsgemäße Wärmespreizer bzw. -verteiler in Wärmekontakt mit der "Unterseite" des Wärmeelements (Unterseite im Hinblick auf die zu beheizende, abzukühlende Oberfläche usw.), um den Wärmestrom zwischen dem Wärmeelement und der Umgebung zu maximieren, mit der die Wärmeübertragung erfolgen soll.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung, die für eine Strahlungsheizanlage spezifisch ist, steht der erfindungsgemäße Wärmespreizer bzw. -verteiler in Kontakt mit der "Unterseite" des Strahlungsheizelements (Unterseite im Hinblick auf die zu beheizende Oberfläche), um den Wärmestrom vom Heizelement in den zu beheizenden Raum zu maximieren.
Noch eine weitere Ausführungsform der Erfindung stellt einen Wärmespreizer bzw. -verteiler bereit, der den Wärmestrom von einer Strahlungsheizanlage verbessert und der dadurch ermöglicht, weniger, breiter beabstandete Heizelementschleifen oder eine niedrigere Temperatur oder einen geringeren Energieverbrauch für solche Heizelemente zu verwenden.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Wärmespreizer bzw. -verteiler, der mindestens eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen mit einer Dichte von mindestens etwa 0,6 Gramm pro Kubikzentimeter (g/cm³) aufweist, in Wärmekontakt mit dem Wärmeelement einer Wärmetauscheranlage sowie der Oberfläche angeordnet, an der Wärme übertragung erfolgen soll, z. B. dem Fußboden des durch die Strahlungsheizanlage zu beheizenden Raums.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat der erfindungsgemäße Wärmespreizer bzw. -verteiler eine Dichte von mindestens etwa 1,1 g/cm³ und am stärksten bevorzugt mindestens 1,5 g/cm³.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist ein Wärmespreizer bzw. -verteiler, der mindestens eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen mit einer Wärmeleitfähigkeit parallel zu den Hauptflächen der mindestens einen Bahn von mindestens etwa 140 Watt pro Meter-Grad Kelvin (W/m-K) aufweist, in Wärmekontakt mit dem Heizelement einer Strahlungsheizanlage sowie dem Fußboden des durch die Strahlungsheizanlage zu beheizenden Raums angeordnet.
In noch einer weiteren Ausführungsform der Erfindung hat der erfindungsgemäße Wärmespreizer bzw. -verteiler eine Wärmeleitfähigkeit von mindestens etwa 220 W/m-K und am stärksten bevorzugt mindestens etwa 300 W/m-K.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist das (sind die) Wärmeelement(e) eines Wärmetauschers für eine Strahlungsheizanlage in Nuten oder Schlitzen angeordnet, die in einem Isoliermaterial gebildet sind, zwischen dem der erfindungsgemäße Wärmespreizer bzw. -verteiler positioniert ist.
Diese und weitere Aufgaben, die dem Fachmann anhand der nachfolgenden Beschreibung deutlich werden, können durch Bereitstellung einer Wärmetauscheranlage gelöst werden, die aufweist: ein Wärmeelement mit einer Oberfläche; einen Wärmespreizer bzw. -verteiler mit mindestens einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen, die eine Dichte von mindestens etwa 0,6 g/cm³, vorzugsweise eine Dichte von mindestens etwa 1,1 g/cm³, und eine Dicke unter etwa 10 mm haben, und ferner mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei der Wärmespreizer relativ zum Wärmeelement so positio niert ist, daß der Wärmespreizer mindestens teilweise um das Wärmeelement gewickelt ist, so daß die erste Seite des Wärmespreizers in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem Abschnitt der Wärmeelementoberfläche steht.
Die erfindungsgemäße Wärmetauscheranlage kann auch ein Substrat mit einer Aussparung aufweisen, die so bemessen ist, daß sie das Wärmeelement unterbringt, wobei das Substrat benachbart zur zweiten Seite des Wärmespreizers bzw. -verteilers angeordnet ist, so daß der Wärmespreizer zwischen dem Wärmeelement und dem Substrat positioniert ist, und wobei das Substrat eine Wärmeleitfähigkeit unter etwa 2,0 W/m-K hat. Weiterhin kann der Wärmespreizer zwei Komponenten aufweisen, eine erste Komponente und eine zweite Komponente, wobei die erste Komponente des Wärmespreizers zwischen dem Wärmeelement und dem Substrat positioniert ist. Die erste Komponente des Wärmespreizers kann aus Aluminium oder anderem Metall hergestellt sein. In einigen Situationen erstreckt sich die zweite Komponente des Wärmespreizers so über die Aussparung, daß die zweite Komponente des Wärmespreizers nicht zwischen dem Wärmeelement und dem Substrat an der Aussparung positioniert ist. In einer verwandten Ausführungsform, besonders in einer Unterbodenanlage, kann kein Substrat, sondern offener Raum vorhanden sein. In einer Ausführungsform ist die Wärmetauscheranlage ein Solarkollektor.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Wärmetauscheranlage mit einem Substrat mit einer Aussparung; einem Wärmespreizer bzw. -verteiler mit mindestens einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen mit einer Dichte von mindestens etwa 0,6 g/cm³ und einer Dicke unter etwa 10 mm, wobei sich der Wärmespreizer in die Aussparung des Substrats erstreckt, um eine Substrat/Spreizer-Aussparung zu bilden, die so bemessen ist, daß sie ein Wärmeelement unterbringt. Anders gesagt liegt der Wärmespreizer in der Aussparung des Substrats, und da daher die Aussparung durch den Wärmesprei zer gebildet ist, wenn er in der Aussparung des Substrats sitzt, ist die sogenannte Substrat/Spreizer-Aussparung gebildet. Der Wärmespreizer kann aus zwei Komponenten gebildet sein, einer ersten Komponente und einer zweiten Komponente, wobei die erste Komponente des Wärmespreizers mit dem Substrat zusammenwirkt, um die Substrat/Spreizer-Aussparung zu bilden.
In einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung eine Wärmetauscheranlage mit einem Strukturelement, das eine erste Oberfläche und eine zweite Oberfläche hat; einem Wärmeelement, das nahe der zweiten Oberfläche des Strukturelements positioniert ist und einen Abschnitt, der zur zweiten Oberfläche des Strukturelements angeordnet ist, sowie einen Abschnitt hat, der vom Strukturelement im Hinblick darauf weg angeordnet ist; einem Wärmespreizer bzw. -verteiler mit mindestens einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen, wobei der Wärmespreizer in einer Wärmeübertragungsbeziehung sowohl mit der zweiten Oberfläche des Strukturelements als auch mit dem Wärmeelement positioniert ist, und wobei ferner der Wärmespreizer in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Abschnitt des Wärmeelements positioniert ist, der von der zweiten Oberfläche des Strukturelements weg angeordnet ist.
Noch ein weiterer Aspekt der Erfindung betrifft eine Strahlungsheizanlage für einen Raum mit (a) einem Raum mit einem Strukturelement mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche den Fußboden, die Wand und/oder die Decke des Raums aufweist; (b) einem Wärmeelement, z. B. einem Heizelement, das benachbart zur zweiten Oberfläche des Strukturelements positioniert ist und einen Abschnitt, der zur zweiten Oberfläche des Strukturelements angeordnet ist, sowie einen Abschnitt hat, der vom Strukturelement im Hinblick darauf weg angeordnet ist; und (c) einem Wärmespreizer bzw. -verteiler mit mindestens einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen, wobei der Wär mespreizer in einer Wärmeübertragungsbeziehung sowohl mit der zweiten Oberfläche des Strukturelements als auch mit dem Heizelement positioniert ist, und wobei ferner der Wärmespreizer in Wärmeübertragungsbeziehung mit einem Abschnitt des Heizelements positioniert ist, der von der zweiten Oberfläche des Strukturelements weg angeordnet ist.
Ein weiterer Aspekt der Erfindung beinhaltet die Bereitstellung einer Wärmetauscheranlage mit (a) einem Strukturelement mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; (b) einem Wärmeelement, das benachbart zur zweiten Oberfläche des Strukturelements positioniert ist und einen Abschnitt, der zur zweiten Oberfläche des Strukturelements angeordnet ist, sowie einen Abschnitt hat, der vom Strukturelement im Hinblick darauf weg angeordnet ist; und (c) einem Wärmespreizer bzw. -verteiler mit mindestens einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen, wobei der Wärmespreizer in einer Wärmeübertragungsbeziehung sowohl mit der zweiten Oberfläche des Strukturelements als auch mit dem Wärmeelement positioniert ist, und wobei ferner der Wärmespreizer in Wärmeübertragungsbeziehung mit einem Abschnitt des Wärmeelements positioniert ist, der von der zweiten Oberfläche des Strukturelements weg angeordnet ist.
In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Wärmespreizer bzw. -verteiler zwei Elemente auf, von denen ein Element in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Abschnitt des Wärmeelements steht, der von der zweiten Oberfläche des Strukturelements weg angeordnet ist. Vorzugsweise hat die mindestens eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen eine Dichte von mindestens etwa 0,6 g/cm³, stärker bevorzugt mindestens etwa 1,1 g/cm³ oder sogar 1,5 g/cm³. Zusätzlich kann die mindestens eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen eine Wärmeleitfähigkeit in der Ebene von mindestens etwa 140 W/m-K, stärker bevorzugt mindestens etwa 220 W/m-K oder sogar 300 W/m-K oder darüber haben.
Zur Wärmeübertragungsanlage kann auch ein Substrat gehören, das nahe der zweiten Oberfläche des Strukturelements so angeordnet ist, daß der Wärmespreizer bzw. -verteiler zwischen dem Substrat und dem Strukturelement positioniert ist, wobei das Substrat stark isolierend ist, d. h. eine Wärmeleitfähigkeit unter etwa 2,0 W/m-K, stärker bevorzugt unter etwa 0,10 W/m-K hat.
Verständlich sollte sein, daß sowohl die vorstehende allgemeine Beschreibung als auch die nachfolgende nähere Beschreibung derzeitiger Ausführungsformen der Erfindung dazu bestimmt sind, einen Überblick oder Rahmen zum Verständnis des Wesens und Charakters der Erfindung gemäß den Ansprüchen zu geben. Die beigefügten Zeichnungen dienen zum besseren Verständnis der Erfindung, sind in die Beschreibung aufgenommen und bilden einen Bestandteil von ihr. Die Zeichnungen veranschaulichen verschiedene Ausführungsformen der Erfindung und dienen zusammen mit der Beschreibung zur Erläuterung der Grundsätze und Betriebsabläufe der Erfindung.
1 ist eine Teilquerschnittansicht einer erfindungsgemäßen Strahlungsheizanlage.
2 ist eine Teilquerschnittansicht einer alternativen Ausführungsform der Strahlungsheizanlage von 1.
3 ist eine Teilquerschnittansicht einer weiteren alternativen Ausführungsform der Strahlungsheizanlage von 1.
4 ist eine Teilquerschnittansicht noch einer weiteren alternativen Ausführungsform der Strahlungsheizanlage von 1.
5 ist eine schematische Draufsicht auf eine Prüfvorrichtung zur Vergleichsprüfung der Erfindung.
6 ist eine Querschnittansicht der Prüfvorrichtung von 5 an der Linie 6-6.
Wie erwähnt, ist der erfindungsgemäße Wärmespreizer bzw. -verteiler der Wärmetauscheranlage vorteilhaft aus mindestens einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen gebildet. Obwohl diese Offenbarung anhand einer eingebetteten Warmwasser-Fußbodenstrahlungsheizanlage erfolgt, sollte verständlich sein, daß sie auch andere Arten von Wärmetauscheranlagen betreffen soll, darunter andere Arten von Fußboden-Strahlungsheizanlagen, z. B. Wand- oder Deckenanlagen, Widerstandsanlagen, Anlagen mit Unterbodenheftung; Kühlanlagen; und Solarkollektoren, auf die die hier gelehrten Konzepte gleichfalls zutreffen.
Graphit ist eine kristalline Form von Kohlenstoff mit Atomen, die in flachen Schichtebenen mit schwächeren Bindungen zwischen den Ebenen kovalent gebunden sind. Durch behandeln von Graphitteilchen, z. B. Naturflockengraphit, mit einem Einlagerungs- bzw. Interkalationsmittel aus z. B. einer Lösung von Schwefel- und Salpetersäure, reagiert die Kristallstruktur des Graphits so, daß sie eine Verbindung aus Graphit und dem Interkalationsmittel bildet. Im folgenden werden die behandelten Graphitteilchen als " interkalierte Graphitteilchen" bezeichnet. Bei Einwirkung hoher Temperatur zersetzt und verflüchtigt sich das Interkalationsmittel im Graphit, wodurch die interkalierten Graphitteilchen im Maß bis zu mindestens dem 80-fachen ihres Ausgangsvolumens akkordeonartig in "c"-Richtung expandieren, d. h. in senkrechter Richtung zu den Kristallebenen des Graphits. Die aufgeblähten Graphitteilchen sehen wurmförmig aus und werden daher gemeinhin als Würmer bezeichnet. Die Würmer können zu flexiblen Bahnen miteinander komprimiert werden, die im Gegensatz zu den ursprünglichen Graphitflocken in verschiedene Formen geformt und geschnitten werden können.
Graphitausgangsmaterialien, die zur Verwendung in der Erfindung geeignet sind, weisen stark graphitische kohlenstoffhaltige Materialien auf, die organische und anorganische Säuren sowie Halogene einlagern und dann bei Wärmeeinwirkung expandieren können. Am stärksten bevorzugt ist, daß diese stark graphitischen kohlenstoffhaltigen Materialien einen Graphitierungsgrad von etwa 1,0 haben. Im Gebrauch in dieser Offenbarung bezeichnet "Graphitierungsgrad" den Wert g gemäß der Formel: g = 3,45 – d(002)0,095 ,wobei d(002) der Abstand zwischen den graphitischen Schichten der Kohlenstoffatome in der Kristallstruktur gemessen in Angström ist. Der Abstand d zwischen Graphitschichten wird durch normale Röntgenbeugungstechniken gemessen. Die Positionen von Beugungspeaks, die den (002)-, (004)- und (006)-Miller-Indizes entsprechen, werden gemessen, und Standardtechniken kleinster Quadrate kommen zum Einsatz, um einen Abstand abzuleiten, der den Gesamtfehler für alle diese Peaks minimiert. Zu Beispielen für stark graphitische kohlenstoffhaltige Materialien gehören Naturgraphite aus verschiedenen Quellen sowie andere kohlenstoffhaltige Materialien, z. B. Graphit, der durch chemische Dampfabscheidung, Hochtemperaturpyrolyse von Polymeren oder Kristallisation aus Metallschmelzenlösungen u. ä. hergestellt ist. Am stärksten bevorzugt ist Naturgraphit.
Die in der Erfindung verwendeten Graphitausgangsmaterialien können Nichtgraphitkomponenten enthalten, solange die Kristallstruktur der Ausgangsmaterialien den erforderlichen Graphitierungsgrad behält und sie blähfähig sind. Allgemein ist jedes kohlenstoffhaltige Material, dessen Kristallstruktur den erforderlichen Graphitierungsgrad besitzt und das gebläht werden kann, zur Verwendung mit der Erfindung geeignet. Solcher Graphit hat vorzugsweise eine Reinheit von mindestens etwa achtzig Gewichtsprozent. Stärker bevorzugt hat der für die Erfindung verwendete Graphit eine Reinheit von mindestens etwa 94%. In der am stärksten bevorzugten Ausführungsform hat der verwendete Graphit eine Reinheit von mindestens etwa 98%.
Ein verbreitetes Verfahren zur Graphitbahnenherstellung ist in der US-A-3404061 (Shane et al.) beschrieben, deren Offenbarung hierin durch Verweis eingefügt ist. In der typischen Praxis des Verfahrens nach Shane et al. werden Naturgraphitflocken interkaliert, indem die Flocken in einer Lösung dispergiert werden, die z. B. eine Mischung aus Salpeter- und Schwefelsäure enthält, vorteilhaft mit einem Wert von etwa 20 bis etwa 300 Gewichtsteilen Interkalationslösung je 100 Gewichtsteile Graphitflocken (pph). Die Interkalationslösung enthält Oxidations- und andere interkalierende Mittel, die in der Technik bekannt sind. Zu Beispielen zählen solche, die Oxidationsmittel und Oxidationsmischungen enthalten, z. B. Lösungen, die Salpetersäure, Kaliumchlorat, Chromsäure, Kaliumpermanganat, Kaliumchromat, Kaliumdichromat, Perchlorsäure u. ä. enthalten, oder Mischungen, z. B. konzentrierte Salpetersäure und Chlorat, Chromsäure und Phosphorsäure, Schwefelsäure und Salpetersäure, oder Mischungen aus einer starken organischen Säure, z. B. Trifluoressigsäure, und einem starken Oxidationsmittel, das in der organischen Säure löslich ist. Alternativ kann ein elektrisches Potential verwendet werden, um Oxidation des Graphits zu bewirken. Zu chemischen Spezies, die in den Graphitkristall mit Hilfe von elektrolytischer Oxidation eingebaut werden können, gehören Schwefelsäure sowie andere Säuren.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist das interkalierende Mittel eine Lösung einer Mischung aus Schwefelsäure oder Schwefelsäure und Phosphorsäure und einem Oxidationsmittel, d. h. Salpetersäure, Perchlorsäure, Chromsäure, Kaliumpermanganat, Wasserstoffperoxid, Iod- oder Periodsäure o. ä. Obwohl weniger bevorzugt, kann die Interkalationslösung Metallhalogenide, z. B. Eisenchlorid und Eisenchlorid in Mischung mit Schwefelsäure, oder ein Halogenid, z. B. Brom als Lösung von Brom und Schwefelsäure oder Brom in einem organischen Lösungsmittel, enthalten.
Die Menge von Interkalationslösung kann im Bereich von etwa 20 bis etwa 350 pph und typischer etwa 40 bis etwa 160 pph liegen. Nachdem die Flocken interkaliert sind, wird etwaige überschüssige Lösung aus den Flocken abgelassen, und die Flocken werden mit Wasser gewaschen. Alternativ kann die Menge der Interkalationslösung zwischen etwa 10 und etwa 40 pph begrenzt sein, wodurch der Waschschritt entfallen kann, was in der US-A-4895713 gelehrt und beschrieben ist, deren Offenbarung hierin durch Verweis auch eingefügt ist.
Die mit Interkalationslösung behandelten Flockengraphitteilchen können optional mit einem organischen Reduktionsmittel z. B. durch Mischen in Kontakt gebracht werden, das aus Alkoholen, Zuckern, Aldehyden und Estern ausgewählt ist, die mit dem Oberflächenfilm oxidierender interkalierender Lösung bei Temperaturen im Bereich von 25°C bis 125°C reaktionsfähig sind. Zu geeigneten spezifischen organischen Mitteln zählen Hexadecanol, Octadecanol, 1-Octanol, 2-Octanol, Decylalkohol, 1,10-Decandiol, Decylaldehyd, 1-Propanol, 1,3-Propandiol, Ethylenglycol, Propylenglycol, Dextrose, Fructose, Lactose, Sucrose, Kartoffelstärke, Ethylenglycolmonostearat, Diethylenglycoldibenzoat, Propylenglycolmonostearat, Glycerolmonostearat, Dimethyloxylat, Diethyloxylat, Methylformiat, Ethylformiat, Ascorbinsäure und von Lignin abgeleitete Verbindungen, z. B. Natriumlignosulfat. Die Menge von organischem Reduktionsmittel beträgt zweckmäßig etwa 0,5 bis 4 Gew.-% der Flockengraphitteilchen.
Die Verwendung eines Expansionshilfsmittels, das vor, während oder unmittelbar nach der Interkalation angewendet wird, kann auch für Verbesserungen sorgen. Zu diesen Verbesserungen können reduzierte Blähtemperatur und erhöhtes expandiertes Volumen (auch "Wurmvolumen" genannt) zählen. In diesem Zusammenhang ist ein Expansionshilfsmittel vorteilhaft ein organisches Material, das in der Interkalationslösung ausreichend löslich ist, um eine Expansionsverbesserung zu erreichen. Genauer gesagt können organische Materialien dieser Art verwendet werden, die Kohlenstoff, Wasserstoff und Sauerstoff, vorzugsweise ausschließlich, enthalten. Festgestellt wurde, daß Carbonsäuren besonders effektiv sind. Eine geeignete Carbonsäure, die als Expansionshilfsmittel nützlich ist, kann aus aromatischen, aliphatischen oder cycloaliphatischen, geradkettigen oder verzweigtkettigen, gesättigten und ungesättigten Monocarbonsäuren, Dicarbonsäuren und Polycarbonsäuren ausgewählt sein, die mindestens 1 Kohlenstoffatom und vorzugsweise bis etwa 15 Kohlenstoffatome haben und in der Interkalationslösung in wirksamen Mengen löslich sind, um eine meßbare Verbesserung eines oder mehrerer Blähungsaspekte zu ergeben. Geeignete organische Lösungsmittel können eingesetzt werden, um die Löslichkeit eines organischen Expansionshilfsmittels in der Interkalationslösung zu verbessern.
Repräsentative Beispiele für gesättigte aliphatische Carbonsäuren sind Säuren, z. B. die der Formel H(CH₂)_nCOOH, wobei n eine Zahl von 0 bis etwa 5 ist, u. a. Ameisen-, Essig-, Propion-, Butter-, Pentanon-, Hexanon- u. ä. Säuren. Anstelle der Carbonsäuren können auch die Anhydride oder reaktiven Carbonsäurederivate, z. B. Alkylester, zum Einsatz kommen. Repräsentativ für Alkylester sind Methylformiat und Ethylformiat. Schwefelsäure, Salpetersäure und andere bekannte wäßrige Interkalationsmittel haben die Fähigkeit, Ameisensäure letztlich zu Wasser und Kohlendioxid zu zersetzen. Deshalb werden Ameisensäure und andere empfindliche Expansionshilfsmittel vorteilhaft mit dem Flockengraphit vor Eintauchen der Flocken in wäßriges Interkalationsmittel in Kontakt gebracht. Repräsentativ für Dicarbonsäuren sind aliphatische Dicarbonsäuren mit 2 bis 12 Kohlenstoffatomen, insbesondere Oxalsäure, Fumarsäure, Malonsäure, Maleinsäure, Bernsteinsäure, Glutarsäure, Adipinsäure, 1,5-Pentandicarbonsäure, 1,6-Hexandicarbonsäure, 1,10-Decandicarbonsäure, Cyclohexan-1,4-dicarbonsäure und aromatische Dicarbonsäuren, z. B. Phthal säure oder Terephthalsäure. Repräsentative Alkylester sind Dimethyloxylat und Diethyloxylat. Repräsentativ für cycloaliphatische Säuren ist Cyclohexancarbonsäure, und für aromatische Carbonsäuren sind es Benzoesäure, Naphthoesäure, Anthranilsäure, p-Aminobenzoesäure, Salicylsäure, o-, m- und p-Tolylsäuren, Methoxy- und Ethoxybenzoesäuren, Acetoacetamidobenzoesäuren und Acetamidobenzoesäuren, Phenylessigsäure und Naphthoesäuren. Repräsentativ für aromatische Hydroxylsäuren sind Hydroxybenzoesäure, 3-Hydroxy-1-naphthoesäure, 3-Hydroxy-2-naphthoesäure, 4-Hydroxy-2-naphthoesäure, 5-Hydroxy-1-naphthoesäure, 5-Hydroxy-2-naphthoesäure, 6-Hydroxy-2-naphthoesäure und 7-Hydroxy-2-naphthoesäure. Prominent unter den Polycarbonsäuren ist Citronensäure.
Die Interkalationslösung ist wäßrig und enthält vorzugsweise eine Menge von Expansionshilfsmittel von etwa 1 bis 10%, wobei die Menge wirksam ist, das Blähen zu verstärken. In der Ausführungsform, in der das Expansionshilfsmittel mit dem Flockengraphit vor oder nach Eintauchen in die wäßrige Interkalationslösung in Kontakt gebracht wird, kann das Expansionshilfsmittel dem Graphit durch eine geeignete Einrichtung, z. B. einen V-Mischer, normalerweise in einer Menge von etwa 0,2 Gew.-% bis etwa 10 Gew.-% des Flockengraphits beigemischt werden.
Nach Interkalieren des Flockengraphits und nach dem Mischen des mit Interkalationsmittel beschichteten interkalierten Flockengraphits mit dem organischen Reduktionsmittel wird die Mischung Temperaturen im Bereich von 25°C bis 125°C ausgesetzt, um die Reaktion des Reduktionsmittels und der Interkalationsmittelbeschichtung zu fördern. Die Erwärmungszeit beträgt bis etwa 20 Stunden, wobei kürzere Erwärmungszeiten, z. B. mindestens etwa 10 Minuten, für höhere Temperaturen im o. g. Bereich gelten. Zeiten von höchstens einer halben Stunde, z. B. in der Größenordnung von 10 bis 25 Minuten, können bei den höheren Temperaturen zum Einsatz kommen.
Die so behandelten Graphitteilchen werden mitunter als "interkalierte Graphitteilchen" bezeichnet. Nach Einwirkung hoher Temperatur, z. B. Temperaturen von mindestens etwa 160°C und besonders etwa 700°C bis 1000°C und darüber, expandieren die interkalierten Graphitteilchen auf mindestens etwa das 80- bis 1000-fache ihres Ausgangsvolumens akkordeonartig in c-Richtung, d. h. in senkrechter Richtung zu den Kristallebenen der konstituierenden Graphitteilchen. Die expandierten, d. h. geblähten, Graphitteilchen sehen wurmförmig aus und werden daher verbreitet als Würmer bezeichnet. Die Würmer können zu flexiblen Bahnen miteinander komprimiert werden, die im Gegensatz zu den ursprünglichen Graphitflocken geformt oder mit Strukturen geprägt werden können, darunter Strömungsfeldnuten oder -kanäle entlang einer oder beider ihrer Oberflächen.
Komprimierte Blähgraphitmaterialien, z. B. Graphitbahnen und -folien, sind kohärent mit guter Handhabungsfestigkeit und geeignet komprimiert, z. B. durch Walzenpressen auf eine Dicke von etwa 0,05 mm bis 3,75 mm und eine typische Dichte von mindestens etwa 0,4 bis 2,0 g/cm³. Um als "Bahn" zu gelten, sollte der Graphit durchaus eine Dichte von mindestens etwa 0,6 g/cm³ haben, und um die für die Erfindung erforderliche Flexibilität zu haben, sollte er eine Dichte von mindestens etwa 1,1 g/cm³, stärker bevorzugt mindestens etwa 1,5 g/cm³ haben. Wenngleich hierin der Begriff "Bahn" verwendet wird, sollen dazu auch kontinuierliche Materialrollen im Gegensatz zu einzelnen Bahnen gehören.
Bei Bedarf können Bahnen aus komprimierten Blähgraphitteilchen mit Harz behandelt werden, und das absorbierte Harz verstärkt nach dem Härten die Feuchtigkeitsbeständigkeit und Handhabungsfestigkeit, d. h. Steifigkeit, des Graphitartikels und "fixiert" die Morphologie des Artikels. Ein geeigneter Harzgehalt beträgt vorzugsweise mindestens etwa 5 Gew.-%, stärker bevorzugt etwa 10 bis 35 Gew.-% und zweckmäßig bis etwa 60 Gew.-%. Zu Harzen, die in der Praxis der Erfindung als besonders nützlich ermittelt wurden, gehören Harzsysteme auf Acryl-, Epoxid- und Phenolbasis, Polymere auf Fluorbasis oder deren Mischungen. Zu geeigneten Epoxidharzsystemen gehören jene auf der Grundlage von Diglycidylether von Bisphenol A (DGEBA) und andere multifunktionelle Harzsysteme; zu Phenolharzen, die verwendet werden können, gehören Resol- und Novolak-Phenolharze. Optional kann der flexible Graphit mit Fasern und/oder Salzen zusätzlich zum Harz oder anstelle des Harzes imprägniert sein. Zudem können reaktive oder nicht reaktive Zusatzstoffe mit dem Harzsystem verwendet werden, um Eigenschaften zu modifizieren (z. B. Klebrigkeit, Materialfluß, Hydrophobie usw.).
Wie zuvor erwähnt, handelt es sich bei der Erfindung um eine Strahlungsheizanlage mit einem Wärmespreizer bzw. -verteiler, der mindestens eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen aufweist. Der Wärmespreizer sollte eine Dichte von mindestens etwa 0,6 g/cm³, stärker bevorzugt mindestens etwa 1,1 g/cm³ und am stärksten bevorzugt mindestens etwa 1,5 g/cm³ haben. Aus praktischer Sicht beträgt die Obergrenze für die Dichte des Graphitbahn-Wärmespreizers etwa 2,0 g/cm³. Der Wärmespreizer (auch wenn er aus mehr als einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen hergestellt ist) sollte eine Dicke von höchstens etwa 10 mm, stärker bevorzugt höchstens etwa 2 mm und am stärksten bevorzugt höchstens etwa 1 mm Dicke haben.
In der Praxis der Erfindung können mehrere Graphitbahnen zu einem einteiligen Artikel zum Gebrauch als erfindungsgemäßer Wärmespreizer laminiert sein, sofern das Laminat die zuvor festgelegten Dichte- und Dickeanforderungen erfüllt. Die Bahnen aus komprimierten Blähgraphitteilchen können mit einem geeigneten Kleber laminiert sein, z. B. einem Haft- oder wärmeaktivierten Kleber dazwischen. Der ausgewählte Kleber sollte Haftfestigkeit mit Dickenminimierung abgleichen und aus reichende Haftfestigkeit bei den Gebrauchstemperaturen wahren können, bei denen Wärmeableitung angestrebt wird. Dem Fachmann werden geeignete Kleber bekannt sein, wozu Phenolharze zählen.
Die den erfindungsgemäßen Wärmespreizer bildende(n) Graphitbahn(en) sollte(n) eine Wärmeleitfähigkeit parallel zur Ebene der Bahn (als "Wärmeleitfähigkeit in der Ebene" bezeichnet) von mindestens etwa 140 W/m-K zum effektiven Gebrauch haben. Vorteilhafter beträgt die Wärmeleitfähigkeit parallel zur Ebene der Graphitbahn(en) mindestens etwa 220 W/m-K, am vorteilhaftesten mindestens etwa 300 W/m-K. Natürlich wird deutlich sein, daß mit höherer Wärmeleitfähigkeit in der Ebene die Wärmeverteilungskennwerte des erfindungsgemäßen Wärmespreizers effektiver sind. Aus praktischer Sicht sind Bahnen aus komprimierten Blähgraphitteilchen mit einer Wärmeleitfähigkeit in der Ebene bis etwa 600 W/m-K alles, was notwendig ist. Die Ausdrücke "Wärmeleitfähigkeit parallel zur Ebene der Bahn" und "Wärmeleitfähigkeit in der Ebene" beziehen sich darauf, daß eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen zwei Hauptflächen hat, die man so betrachten kann, daß sie die Ebene der Bahn bilden; somit stellen "Wärmeleitfähigkeit parallel zur Ebene der Bahn" und "Wärmeleitfähigkeit in der Ebene" die Wärmeleitfähigkeit entlang den Hauptflächen der Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen dar.
Mit Bezug auf die Zeichnungen veranschaulicht 1 schematisch eine Fußboden-Strahlungsheizanlage 100. Obwohl die Erfindung primär im Zusammenhang mit einer Fußboden-Strahlungsheizanlage beschrieben wird, ist deutlich, daß ihre Grundsätze auf Heiz- oder Kühlanlagen anwendbar sind, die in jeder der Begrenzungsstrukturen eingebettet sind, z. B. Wänden oder Decken, sowie auf andere ähnliche Wärmetauscheranlagen wie Solarkollektoren (nicht gezeigt).
Die Fußbodenanlage 100 weist einen Fußboden 112 auf, der eine Oberfläche hat, über die der Raum beheizt (oder gekühlt) wird, in dem sich die Fußbodenanlage 100 befindet. (Natürlich wäre in einem Solarkollektor das Äquivalent zum Fußboden 112 eine Wärmeabsorptionsplatte, z. B. eine Glasplatte, die Sonnenlicht ausgesetzt ist.) Wird wie erwähnt die Anlage 100 als Wand- oder Deckenheizanlage verwendet, so ist der Fußboden 112 eigentlich die Wand oder Decke des Raums. Ein Wärmeelement 114, das je nach der spezifischen Anwendung ein Heiz- oder Kühlelement sein kann, steht in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Fußboden 112. Unter Wärmeübertragungsbeziehung wird verstanden, daß Wärmeenergie von einem Artikel oder Gegenstand zu einem anderen übertragen wird. Obwohl sich die folgende Beschreibung primär auf ein Heizelement als Wärmeelement 114 bezieht, wird verständlich sein, daß dazu Kühlelemente gehören. Das Wärmeelement 114 könnte allgemeiner als Wärmeübertragungselement bezeichnet werden, das heizen oder kühlen kann, wozu auch solche Situationen gehören, in denen das Wärmeübertragungselement 114 durch seine Umgebung erwärmt wird, z. B. in Anwendungen mit Solarkollektoren.
Das Wärmeelement 114 kann jede verfügbare Art von Heiz- oder Kühlelement sein, u. a. Heizelemente mit elektrischer Widerstandsverdrahtung und Schlauchnetze zum Transportieren von Wärmeübertragungsfluiden. Der Fußboden 112 kann jeder herkömmliche Fußboden einer Art sein, die zur Verwendung mit dem ausgewählten Heizelement geeignet ist. Geeignete Wärmeelemente 114 und Fußböden 112 werden später näher beschrieben.
Ein Wärmespreizer 116, der mindestens eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen aufweist, steht in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Fußboden 112 und somit im Wärmeeingriff mit dem Fußboden 112. Zu beachten ist, daß zu "Wärmeeingriff" eine Leitungs-, Konvektions- oder Strahlungsbeziehung gehören kann (wobei die beiden letzten bedeuten, daß der Wärmespreizer 116 nicht in körperlichem Kontakt mit dem Fußboden 112 zu stehen braucht, was später näher beschrieben wird). Ein später näher beschriebenes Fußbodensubstrat 118 liegt unter dem Fußboden 112, wobei der Wärmespreizer 116 zwischen dem Fußbodensubstrat 118 und dem Fußboden 112 positioniert ist.
Deutlich wird sein, daß der Fußboden 112 nicht in direktem Eingriff mit dem Wärmespreizer 116 zu stehen braucht und durch verschiedene Schichten davon getrennt sein kann, z. B. durch eine Unterlage für Auslegware. Bei der Beschreibung einer Schicht, die über einer weiteren liegt, erfordert dies also nicht, daß sie sich körperlich berühren, sofern dies nicht ausdrücklich so angegeben ist. Der Fußboden 112 kann jeder herkömmliche Fußbodenbelag sein, u. a. PVC-Belag, Auslegware bzw. Teppich, Dielen oder Parkett, Zementestrich und Keramikfliesen.
Der Wärmespreizer 116 steht auch mit dem Wärmeelement 114 in Wärmeübertragungsbeziehung. Das Wärmeelement 114 kann das sein, das man in jeder herkömmlichen Strahlungsheiz- oder Wärmetauscheranlage vorfindet. Beispielsweise kann das Wärmeelement 114 solche Heizelemente mit elektrischer Widerstandsverdrahtung sein, die in Fußboden-Strahlungsheizanlagen ThermoTile^TM genutzt werden, die von ThermoSoft International Corporation, Buffalo Grove, IL zu beziehen sind. Häufig wird ein solches Wärmeelement 114 vom Typ mit elektrischer Widerstandsverdrahtung mit Fußbodensubstraten 118 einer Art genutzt, bei der das Wärmeelement 114 vollständig eingebettet sein kann. Soll z. B. der Fußboden 112 ein Keramikfliesenboden sein, ist das Wärmeelement 114 vom elektrischen Widerstandstyp normalerweise in einem Fußbodensubstrat 118 eingebettet, das eine Schicht aus Zement oder dünngehärteten Mörtel aufweist. Soll alternativ der Fußboden 112 PVC-Belag oder Auslegware sein, wird das Wärmeelement 114 vom elektrischen Widerstandstyp oft zusammen mit einer Filz- oder anderen formanpaßbaren Zwischenschicht verwendet.
Bei Auswahl eines Wärmeelements 114 der Art mit einem Schlauchnetz zum Transportieren eines solchen Wärmeübertragungsfluids wie Warmwasser kann es z. B. von der Art sein, die von Uponor Wirsbo Company, Apple Valley, Minnesota zu beziehen ist. Solche Anlagen verwenden normalerweise PEX-Schläuche, die z. B. in einem Beton- oder Styropor^®-Schaumstoffsubstrat 118 eingebettet sein können. Auch andere Leitungsmaterialien wie Kupfer können solche Anlagen verwenden. Während er allgemein einen runden Querschnitt hat, kann der als Wärmeelement 114 verwendete Schlauch auch andere Querschnittformen annehmen, z. B. oval, quadratisch, rechteckig usw. Das Schlauchwärmeelement 114 kann auch mit herkömmlichen Holzsubstraten 118 genutzt werden. In solchen Fällen ist der Schlauch an der Unterseite eines herkömmlichen Sperrholz- oder Grobspanplatten-(OSB-)Unterbodens befestigt, der einen herkömmlichen hölzernen Fußbodenrost (nicht gezeigt) überspannt, oder sogar in sogenannten Balkenfeld-Konvektionsplatten, bei denen die Konvektion im Balkenraum genutzt wird (auch nicht gezeigt). In dieser Ausführungsform weist der Holzunterbodenrost das Substrat 118 auf. Ein weiteres System, auf das die erfindungsgemäße Wärmeübertragungsanlage anwendbar ist, ist eine sogenannte Balkenfeld-Konvektionsplattenanlage, die nicht auf Leitung zum Fußboden beruht, sondern auf Konvektion und/oder Strahlung im Balkenraum basiert.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Substrat 118 ein Isoliermaterial auf, besonders ein relativ isolierendes Material, z. B. Styropor^®-Polystyrolschaumstoff. Die Wärmeleitfähigkeit des Substrats 118 bei Verwendung eines Isoliermaterials sollte unter etwa 2,0 W/m-K, stärker bevorzugt unter etwa 0,1 W/m-K und am stärksten bevorzugt unter etwa 0,05 W/m-K liegen (obwohl es wiederum keine technische Untergrenze für die Wärmeleitfähigkeit zum Gebrauch als Substrat 118 gibt, kann etwa 0,025 W/m-K als praktische Untergrenze angesehen werden). Vorzugsweise, aber nicht unbedingt, hat das Substrat 118 für solche praktischen Aspekte wie Transport und Einbau ein leichtes Gewicht, worunter verstanden wird, daß es eine Dichte unter etwa 0,3 g/cm³, stärker bevorzugt unter etwa 0,1 g/cm³ hat; obwohl allgemein gilt: je niedriger die Dichte um so besser, braucht die Dichte des Substrats 118 nicht unter 0,01 g/cm³ zu liegen. Beispielsweise hat Styropor^®-Material eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 0,033 W/m-K und eine Dichte unter etwa 0,04 bis 0,05 g/cm³. Damit kann das Substrat 118 helfen zu gewährleisten, daß möglichst viel Wärmeenergie vom Wärmeelement 114 zum Fußboden 112 übertragen wird. Ein weiteres Beispiel für die Nutzeffekte der Verwendung eines leichtgewichtigen Isoliermaterials wie Styropor^®-Schaumstoff ist die Fähigkeit, Nuten, Aussparungen oder Schlitze in der Oberfläche des Materials zu formen oder anderweitig auszubilden, damit das Wärmeelement 114 in solchen Nuten, Aussparungen oder Schlitzen verlegt werden kann. Auf diese Weise ist die Übertragung von Wärmeenergie vom Wärmeelement 114 zum Fußboden 112 nicht behindert, und das Wärmeelement 114 kann ein gewünschtes Muster annehmen und behalten. Weiterhin ermöglicht der Gebrauch eines leichtgewichtigen Isoliermaterials als Substrat 118, daß eine leichtgewichtige vorgefertigte Strahlungsheizanlagenplatte mit dem Substrat 118 und Wärmespreizer 116 und/oder Wärmeelement 114 anderswo vorbereitet und im Gebäude eingebaut wird, für das sie bestimmt ist.
Wie erwähnt, weist der Wärmespreizer 116 mindestens eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen auf und ist zwischen dem Substrat 118 und dem Fußboden 112 positioniert. Da somit der Wärmespreizer 116 in Wärmeübertragungsbeziehung sowohl mit dem Wärmeelement 114 als auch dem Fußboden 112 steht, verteilt der Wärmespreizer 116 die Wärmeenergie (ob durch Heizen oder Kühlen) zum oder vom Wärmeelement 114 gleichmäßiger über die Oberfläche des Fußbodens 112. Am vorteilhaftesten steht der Wärmespreizer 116 in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Abschnitt des Wärmeelements 114, der am weitesten vom Fußboden 112 entfernt ist. Anders gesagt sollte im Blick in der Orientierung von 1 bis 4 der Wärmespreizer 116 mindestens teilweise um das Wärmeelement 114 gewickelt sein und dadurch in Wärmeübertragungsbeziehung (am stärksten bevorzugt in tatsächlichem körperlichem Kontakt) mit einem Abschnitt der Oberfläche des Wärmeelements 114 stehen, vorzugsweise mit der Unterseite des Wärmeelements 114. Auf diese Weise verbessert der Wärmespreizer 116 den Wärmestrom vom Wärmeelement 114, indem er für einen Weg für Wärmeenergie von den Oberflächen oder Abschnitten des Wärmeelements 114 sorgt, die in der entferntesten Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Fußboden 112 stehen (d. h. körperlich am weitesten entfernt davon sind). Außerdem kann die Flexibilität und Formanpaßbarkeit des Wärmespreizers 116 die Wärmeübertragung mit dem Fußboden 112 verbessern, was aus Sicht des Wirkungsgrads ein wichtiger Vorteil ist. Da zudem der Wärmespreizer 116 eine relativ gleichmäßige Querschnittdicke und -dichte hat, sind die vorteilhaften physikalischen Eigenschaften des Wärmespreizers 116 über seine gesamte Fläche gleichmäßig.
In einer Ausführungsform der Erfindung gemäß 1 kann angesichts der flexiblen Beschaffenheit der Bahnen aus komprimierten Blähgraphitteilchen, die zur Bildung des Wärmespreizers 116 verwendet werden, der Wärmespreizer 116 zwischen dem Substrat 118 und dem Fußboden 112 positioniert sein und sich unter dem Wärmeelement 114 erstrecken (deutlich ist, daß "unter" in der Anwendung auf Wand- oder Deckenheizanlagen den Abschnitt des Wärmeelements 114 bezeichnet, der vom Raum wegweist, in dem die Strahlungsheizanlage 100 liegt; in Anwendungen mit Solarkollektoren bezeichnet "unter" den Abschnitt des Wärmeelements 114, der von der Sonne wegweist). Alternativ kann der Wärmespreizer 116 aus zwei getrennten Komponenten gebildet sein, einer ersten Wärmespreizerkomponente 116a und einer zweiten Wärmespreizerkomponente 116b gemäß 2 und 3. Die erste Wärmespreizerkomponente 116a weist mindestens eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen gemäß der vorstehenden Beschreibung auf und ist zwischen dem Substrat 118 und dem Fußboden 112 positioniert, erstreckt sich aber nicht unter dem Wärmeelement 114. Statt dessen erstreckt sich die erste Wärmespreizerkomponente 116a nicht in den Bereich, in dem das Wärmeelement 114 gemäß 2 positioniert ist; oder die erste Wärmespreizerkomponente 116a erstreckt sich vollständig über die Oberseite des Wärmeelements 114 und steht somit in gutem Wärmekontakt mit dem oberen Abschnitt des Wärmeelements 114. Die zweite Wärmespreizerkomponente 116b ist eine gesonderte Komponente, die das Wärmeelement 114 oder Oberflächen davon thermisch (und vorteilhaft körperlich) kontaktiert und mindestens teilweise darum gewickelt ist, u. a. Abschnitte der Unterseite oder der Seiten des Wärmelements 114, und die in Wärmekontakt (am stärksten bevorzugt in körperlichem Kontakt) mit der ersten Wärmespreizerkomponente 116a sowohl gemäß 2 als auch 3 steht. Die zweite Wärmespreizerkomponente 116b kann aus mindestens einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen gebildet oder ein unterschiedliches Material sein, z. B. ein isotropes Material wie ein Metall wie Aluminium. In Unterfluranordnungen kann auch von Vorteil sein, daß der zweite Wärmespreizer 116b die Seiten des Wärmeelements 114 nur teilweise umgibt (nicht gezeigt), wodurch das Wärmeelement 114 an der zweiten Wärmespreizerkomponente 116b angebaut und/oder befestigt sein kann, die ihrerseits an der ersten Wärmespreizerkomponente 116a angebaut oder anderweitig befestigt ist, die zwischen Balken auf der Unterseite des Unterbodens eingebaut ist.
In noch einer weiteren Ausführungsform gemäß 4 kann die zweite Wärmespreizerkomponente 116b das Wärmeelement 114 vollständig umhüllen oder sich darum erstrecken, sofern das zweite Wärmespreizerelement 116b in Wärmeübertragungsbeziehung (und am vorteilhaftesten in wirklichem körperlichem Kontakt) mit der ersten Wärmespreizerkomponente 116a bleibt.
Ohne den Schutzumfang der Erfindung einschränken zu wollen, veranschaulichen die folgenden Beispiele die Vorteile und Nutzeffekte ihrer Verwendung.
Beispiele
Eine Prüfvorrichtung 150 ist gemäß 5 und 6 aufgebaut. Die Vorrichtung 150 weist einen Schlauch 154 auf, der eine Wasserleitung mit 0,5 Zoll Innendurchmesser und 0,625 Zoll Außendurchmesser ist, die einen Einlaß 154a und einen Auslaß 154b hat und die in zwei gleiche Zweige 155 und 156 gemäß 5 aufgeteilt ist. Die Temperatur am Einlaß 154a wird mit Hilfe eines Thermoelements 7 gemessen; die Temperatur am Auslaß 154b wird mit Hilfe eines Thermoelements 8 gemessen. Jeder Zweig 155 und 156 des Schlauchs 154 erstreckt sich in eine Prüfzone, von denen eine als erste Prüfzone 151 und die andere als zweite Prüfzone 152 bezeichnet ist, was 6 zeigt. Gebildet ist jede Prüfzone 151 und 152 aus einem 18 mm dicken Sperrholzbrett als Basis 160, einer 25 mm dicken Platte aus Styropor^®-Isolierung als Substrat 162 und einem 18 mm dicken Sperrholzbrett als Fußboden 164. Jedes Substrat 162 hat eine darin gebildete Nut oder Aussparung, durch die sich die Zweige 155 bzw. 156 des Schlauchs 154 erstrecken.
Die Prüfzone 151 weist Thermoelemente 1, 2 und 3 auf, um die Temperatur auf der Oberseite eines Teilstücks 164a des Sperrholzfußbodens 164 der Prüfzone 151 zu messen. Ähnlich weist die Prüfzone 152 Thermoelemente 4, 5 und 6 auf, um die Temperatur auf der Oberseite eines Teilstücks 164b des Sperrholzfußbodens 164 der Prüfzone 152 zu messen (wobei das Thermoelement 4 der gleichen Lage auf dem Fußboden 164b der Prüf zone 152 wie das Thermoelement 1 auf dem Fußboden 164a der Prüfzone 151 entspricht; das Thermoelement 5 der gleichen Lage auf dem Fußboden 164b der Prüfzone 152 wie das Thermoelement 2 auf dem Fußboden 164a der Prüfzone 151 entspricht; und das Thermoelement 6 der gleichen Lage auf dem Fußboden 164b der Prüfzone 152 wie das Thermoelement 3 auf dem Fußboden 164a der Prüfzone 151 entspricht).
In jedem Prüfdurchlauf fließt Wasser durch den Schlauch 154 mit einem Durchfluß von 1,2 Meter pro Sekunde, wobei die bei 7 gemessene Einlaßtemperatur 53,5°C und die bei 8 gemessene Auslaßtemperatur 50,8°C betragen.
In einer ersten Prüfung wird ein Wärmespreizer, der aus einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen mit einer Dicke von 0,5 mm und einer Wärmeleitfähigkeit in der Ebene von 450 W/m-K gebildet ist, in der Prüfzone 151 zwischen dem Fußbodensubstrat 162 und dem Fußboden 164 sowie um den Schlauch 155 plaziert, was in 6 mit 170 bezeichnet ist; und eine Aluminiumbahn mit 0,5 mm Dicke und etwa 220 W/m-K Wärmeleitfähigkeit wird in der Prüfzone 152 zwischen dem Fußbodensubstrat 162 und dem Fußbodenteilstück 164 sowie um den Schlauch 156 positioniert, was in 6 mit 175 bezeichnet ist. Die Umgebungstemperatur (T_Umgebung) beträgt 26,3°C. Wasser durchströmt den Schlauch 154 wie zuvor beschrieben, und die Temperaturen können sich eine Stunde lang ausgleichen; danach werden die Temperaturen über dem Fußboden 164 mit Hilfe einer Wärmeinfrarotkamera gemessen. In Tabelle 1 sind die Ergebnisse gezeigt. Tabelle 1

Thermoelement Temperatur Thermoelement Temperatur

Nr. (°C) Nr. (°C)

1 52,0 4 51,5

2 49,0 5 48,9

3 47,9 6 46,9
Die durch einer Wärmeinfrarotkamera gemessene mittlere Temperatur (T_mittel) für die Prüfzone 151 beträgt 35,8°C, und für die Prüfzone 152 beträgt sie 34,4°C. Danach wird der Wärmestrom für jede Prüfzone 151 und 152 mit Hilfe der Formel q'' = B(Tmittel – TUmgebung)berechnet, wobei q" der Wärmestrom und B 6,7 W/m²K ist, was den Wärmeübergangskoeffizienten repräsentiert, der durch den Prüfungsaufbau nach DS/EN 1264-2 am besten dargestellt ist.
Somit wird der. Wärmestrom für die Prüfzone 151 mit 64 W/m² und für die Prüfzone 152 mit 54 W/m² berechnet, was eine 19%ige Zunahme des Wärmestroms durch Verwendung des Graphitwärmespreizers der Erfindung verglichen mit Aluminium ausweist.
In einer zweiten Prüfung werden die Bedingungen der ersten Prüfung mit der Ausnahme wiederholt, daß kein Wärmespreizer in der Prüfzone 152 vorhanden ist und T_Umgebung 24,0°C beträgt. Die mittlere Temperatur (T_mittel) für die Prüfzone 151 beträgt 34,1°C, und für die Prüfzone 152 beträgt sie 28,5°C. Damit wird der Wärmestrom für die Prüfzone 151 mit 68 W/m² und für die Prüfzone 152 mit 30 W/m² berechnet, was eine 127%ige Zunahme des Wärmestroms durch Gebrauch des Graphitwärmespreizers der Erfindung verglichen mit dem Fall ohne Wärmespreizer zeigt.
Somit ist deutlich, daß die Verwendung des Wärmespreizers der Erfindung mit seinem größeren Wärmekontakt mit einem Heizelement den Wärmestrom von einer Strahlungsheizanlage erheblich verbessern kann. Folglich ist es möglich, die Heizelemente für die Heizanlage in größeren Abständen anzuordnen und/oder die Temperatur von Wasser, das den Strahlungsheizschlauch durchfließt, oder die Energiemenge zu senken, die anderen Arten von Heizelementen zugeführt wird, was zu erheblichen Einsparungen führt.
Alle zitierten Patente und Veröffentlichungen, die in der Anmeldung erwähnt wurden, sind durch Verweis eingefügt.
Deutlich wird sein, daß die beschriebene Erfindung auf vielfache Weise abgeändert sein kann. Solche Abänderungen sind nicht als Abweichung vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung zu betrachten, und alle derartigen Abwandlungen, die dem Fachmann deutlich sein dürften, sollen zum Schutzumfang der nachfolgenden Ansprüche gehören.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- US 7132629 A [0008]
- US 2006/0272796 [0008]
- US 3404061 A [0046]
- US 4895713 A [0048]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- www.radiantpanelassociation.org [0004]
- DS/EN 1264-2 [0076]

Claims

Wärmetauscheranlage mit: (a) einem Wärmeelement mit einer Oberfläche; (b) einem Wärmespreizer mit mindestens einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen, die eine Dichte von mindestens etwa 0,6 g/cm³ und eine Dicke unter etwa 10 mm hat, und ferner mit einer ersten Seite und einer zweiten Seite, wobei der Wärmespreizer relativ zum Wärmeelement so positioniert ist, daß der Wärmespreizer mindestens teilweise um das Wärmeelement gewickelt ist, so daß die erste Seite des Wärmespreizers in einer Wärmeübertragungsbeziehung mit einem Abschnitt der Wärmeelementoberfläche steht.
Wärmetauscheranlage nach Anspruch 1, wobei die Anlage ferner ein Substrat mit einer Aussparung aufweist, die so bemessen ist, daß sie das Wärmeelement unterbringt, wobei das Substrat benachbart zur zweiten Seite des Wärmespreizers angeordnet ist, so daß der Wärmespreizer zwischen dem Wärmeelement und dem Substrat positioniert ist, und wobei das Substrat eine Wärmeleitfähigkeit unter etwa 2,0 W/m-K hat.
Wärmetauscheranlage nach Anspruch 2, wobei der Wärmespreizer zwei Komponenten aufweist, eine erste Komponente und eine zweite Komponente, wobei ferner die erste Komponente des Wärmespreizers zwischen dem Wärmeelement und dem Substrat positioniert ist.
Wärmetauscheranlage nach Anspruch 3, wobei die erste Komponente des Wärmespreizers Aluminium aufweist.
Wärmetauscheranlage nach einem der Ansprüche 1 bis 4, die einen Solarkollektor aufweist.
Wärmetauscheranlage nach einem der Ansprüche 3 bis 5, wobei sich die zweite Komponente des Wärmespreizers über die Aussparung so erstreckt, daß die zweite Komponente des Wärmespreizers nicht zwischen dem Wärmeelement und dem Substrat positioniert ist.
Wärmetauscheranlage mit: (a) einem Substrat mit einer Aussparung; (b) einem Wärmespreizer mit mindestens einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen mit einer Dichte von mindestens etwa 0,6 g/cm³ und einer Dicke unter etwa 10 mm, wobei sich der Wärmespreizer in die Aussparung des Substrats erstreckt, um eine Substrat/Spreizer-Aussparung zu bilden, die so bemessen ist, daß sie ein Wärmeelement unterbringt.
Wärmetauscheranlage nach Anspruch 7, wobei der Wärmespreizer zwei Komponenten aufweist, eine erste Komponente und eine zweite Komponente, wobei ferner die erste Komponente des Wärmespreizers mit dem Substrat zusammenwirkt, um die Substrat/Spreizer-Aussparung zu bilden.
Wärmetauscheranlage nach Anspruch 8, wobei die erste Komponente des Wärmespreizers Aluminium aufweist.
Wärmetauscheranlage mit: (a) einem Strukturelement mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche; (b) einem Wärmeelement, das nahe der zweiten Oberfläche des Strukturelements positioniert ist und einen Abschnitt, der zur zweiten Oberfläche des Strukturelements angeordnet ist, sowie einen Abschnitt hat, der vom Strukturelement im Hinblick darauf weg angeordnet ist; (c) einem Wärmespreizer mit mindestens einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen, wobei der Wärmespreizer in einer Wärmeübertragungsbeziehung sowohl mit der zweiten Oberfläche des Strukturelements als auch mit dem Wärmeelement positioniert ist, und wobei ferner der Wärmespreizer in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Abschnitt des Wärmeelements positioniert ist, der von der zweiten Oberfläche des Strukturelements weg angeordnet ist.
Wärmetauscheranlage nach Anspruch 10, wobei der Wärmespreizer zwei Komponenten aufweist, von denen eine Komponente in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Abschnitt des Wärmeelements steht, der von der zweiten Oberfläche des Strukturelements weg angeordnet ist.
Wärmetauscheranlage nach Anspruch 10 oder 11, wobei die mindestens eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen eine Dichte von mindestens etwa 0,6 g/cm³ hat.
Wärmetauscheranlage nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die mindestens eine Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen eine Wärmeleitfähigkeit in der Ebene von mindestens etwa 140 W/m-K hat.
Strahlungsheizanlage für einen Raum mit: (a) einem Raum mit einem Strukturelement mit einer ersten Oberfläche und einer zweiten Oberfläche, wobei die erste Oberfläche den Fußboden, die Wand und/oder die Decke des Raums aufweist; (b) einem Wärmeelement, das benachbart zur zweiten Oberfläche des Strukturelements positioniert ist und einen Abschnitt, der zur zweiten Oberfläche des Strukturelements angeordnet ist, sowie einen Abschnitt hat, der vom Strukturelement im Hinblick darauf weg angeordnet ist; (c) einem Wärmespreizer mit mindestens einer Bahn aus komprimierten Blähgraphitteilchen, die eine Dichte von mindestens etwa 0,6 g/cm³ und eine Wärmeleitfähigkeit in der Ebene von mindestens etwa 140 W/m-K hat, wobei der Wärmespreizer in einer Wärmeübertragungsbeziehung sowohl mit der zweiten Oberfläche des Strukturelements als auch mit dem Wärmeelement positioniert ist, und wobei ferner der Wärmespreizer in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Abschnitt des Wärmeelements positioniert ist, der von der zweiten Oberfläche des Strukturelements weg angeordnet ist.
Strahlungsheizanlage nach Anspruch 14, wobei der Wärmespreizer zwei Komponenten aufweist, von denen eine Komponente in Wärmeübertragungsbeziehung mit dem Abschnitt des Wärmeelements steht, der von der zweiten Oberfläche des Strukturelements weg angeordnet ist.