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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Solarkollektor zum Erwärmen
einer Flüssigkeit, umfassend mindestens ein Verteilerrohr
aus Kunststoff zur Zu- oder Ableitung der zu erwärmenden
Flüssigkeit, das eine Längsachse und eine Verteilerrohr-Wandung
aufweist, über deren Länge Rohranschlussstutzen
zum Anschluss von Kollektorrohren verteilt sind.
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Stand der Technik
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Derartige
Solarkollektoren werden in unterschiedlichen Ausführungsformen
zur Erwärmung des Wassers von Schwimmbädern, fest
installierter oder frei aufstellbarer Schwimmbecken, Kinderpools
im Innen- oder Außenbereich, Gartenduschen und dergleichen
eingesetzt. Der Solarkollektor wird vom zu erwärmenden
Wasser kontinuierlich durchströmt, wobei der Wasserstrom
Wärme aus dem Solarkollektor aufnimmt und als erwärmtes
Wasser kontinuierlich daraus wieder abgeführt wird. Die
sich dabei einstellende Temperatur hängt bei gegebener
Kollektorfläche und Menge des strömenden Wassers
von der Sonneneinstrahlung ab und liegt in der Regel deutlich unter
50°C.
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Ein
Solarkollektor dieser Art ist in der
DE 10 2005 061 008 B3 beschrieben.
Der Solarkollektor weist eine mattenförmige Anordnung auf,
die aus zahlreichen parallel zueinander verlaufenden Kollektorrohren
gebildet wird, und die vom zu erwärmenden Wasser durchströmt
wird. Die Kollektorrohre sind als Wellrohre ausgebildet und enden
beiderseits in zwei gemeinsamen Verteilerrohren. Über das
eine Verteilerrohr wird das zu erwärmende Wasser dem Kollektor
zugeführt, in den Kollektorrohren verteilt und aus dem
anderen Verteilerrohr wieder abgeleitet. Verteilerrohre haben daher
einen deutlich größeren Innendurchmesser als die
Kollektorrohre. Außerdem tragen die Verteilerrohre wegen
ihrer Eigenschaft als seitliche Begrenzung der mattenförmigen
Kollektor-Anordnung zur Formstabilisierung derselben bei und weisen
in der Regel eine gewisse Biegesteifheit auf. Diese erleichtert
zudem die Herstellung wasserdichter Ver bindungen zu den Flüssigkeitszu-
und -ableitungen, erschwert jedoch den Transport der Rohre. Daher
werden die Verteilerrohre in der Regel aus kürzeren Einzelstücken
zusammengesetzt, beispielsweise durch Verkleben. Sämtliche
Rohre des bekannten Solarkollektors bestehen aus Kunststoff. Es hat
sich auch gezeigt, dass die Frostbeständigkeit der bekannten
Solarkollektoren unzureichend ist.
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Eine
andere Art von Solarabsorbern wird zur Wärmeerzeugung oder
-rückgewinnung im Bereich der Brauchwassererwärmung
und Wohnraumbeheizung eingesetzt. Dabei werden hohe Temperaturen in
der Regel über 60°C angestrebt, was durch eine diskontinuierliche
Betriebsweise des Absorbers erreicht wird, indem Wasser oder ein
anderer Wärmeträger innerhalb des Absorbers verbleibt
und darin solange erhitzt wird, bis es die Solltemperatur erreicht
hat. Ein derartiger Solarabsorber ist aus der
DE 100 39 111 B4 bekannt.
Er besteht aus Metall und setzt sich aus sogenannten Streifenabsorbern
zusammen, die aus Kapillarrohren aus Kupfer bestehen, die mit einem
Sammelrohr aus Edelstahl durch Löten verbunden sind. Zwecks
Verbesserung der Frostbeständigkeit des Solarkollektors
wird vorgeschlagen, das Sammelrohr mit Wellrohr-Profil auszubilden.
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Das
Eintöten der Kapillarrohre beim Lötprozess birgt
das Risiko, dass die als Weltrohr ausgebildete und daher dünne
Wandung des Sammelrohres beeinträchtigt oder sogar beschädigt
wird. Insbesondere können die thermische Beaufschlagung
und die mechanische Einwirkung durch das zusätzliche Lötmaterial
den Verlauf von Kraftlinien ungünstig verändern
und zu erhöhten mechanischen Spannungen im Bereich der
Lötstelle führen. Zudem unterliegt das Sammelrohr
durch Druck- und Temperaturschwankungen beim bestimmungsgemäßen
Einsatz ständig Verformungen, die durch das Wellrohr-Profil
des Verteilerrohres noch begünstigt werden. Andauernde Verformungen
führen zur Ermüdung des Materials und schließlich
zu Bruch oder Riss im Bereich der Lötverbindungen. Davon
abgesehen ist die Montage ist relativ aufwändig.
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Die
Verbindung von Verteilerrohr-Teilstücken miteinander oder
mit Zu- und Ablaufrohren oder anderen Anschlusselementen aus Kunststoff
erfolgt üblicher weise durch Kleben oder Schweißen.
Die bisher eingesetzten, biegesteifen und starren Verteilerrohre
aus Kunststoff haben eine glatte Außenwandung. Dadurch
können an den Enden des Verteilerrohres oder an Zwischenstücken
flüssigkeitsdichte Anschlüsse in Form von Rohrmuffen
angebracht werden, wobei die glatte Zylindermantelfläche
als Dichtfläche dient. Die Außenwandung eines
derartigen starren Verteilerrohres hält einem radial nach
innen gerichteten Anpressdruck ohne weiteres stand.
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Im
Sinne einer hohen Effizienz ist es erwünscht, dass die
Kollektorrohre möglichst dicht beieinander liegen, um eine
weitgehend geschlossene Einstrahlungsfläche für
die Solarstrahlung bereit zu stellen. Andererseits verbleibt bei
enger Anordnung der Kollektorrohre zwischen den Anschlussstutzen benachbarter
Kollektorrohre nur eine kurze Verteilerrohrstrecke, von der bei
Ablängungen mittig zwischen den Anschlussstutzen am Verteilerrohrende sogar
nur die Hälfte für Fixierung und Abdichtung von Anschlüssen
zur Verfügung steht. Dies erschwert die Herstellung einer
verlässlich festen und dichten Verbindung von zwei Verteilerrohr-Teilstücken
miteinander oder mit anderen Anschlusselementen, wie etwa Endkappen,
Abzweigern oder Temperatur- oder Drucksensoren, und zwar insbesondere
dann, wenn aus Gründen der Ästhetik die Kollektorrohre
parallel und in gleichem Abstand zueinander verlaufen sollen.
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Um
dieses Problem zu lösen, wird in der
DE 88 15 930 U1 für
den Fall eines Solarkollektors aus Kunststoffrohren zur Herstellung
einer Verlängerung eines Verteilerrohres ein Verbindungselement
in Form einer Rohrmuffe vorgeschlagen, die die beiden Verteilerrohrenden überfängt
und die im Anschlussbereich der Kollektorrohre eine ausreichend
große Aussparung aufweist. Zur Verbindung der Verteilerrohr-Enden
wird die Rohrmuffe auf die beiderseitigen Enden so weit aufgeschoben,
so dass sie die jeweiligen Kollektorrohr-Anschlüsse U-förmig
umgreift. Auf diese Weise wird eine genügend große
Kontaktfläche zwischen der Innenwandung der Rohrmuffe und
der Außenwandung der Verteilerrohre erhalten, so dass die
Rohrmuffe mit den Verteilerrohr-Enden flüssigkeitsdicht
verschweißt oder verklebt werden kann.
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Diese
Verbindungsmethode hat sich beim Einsatz biegesteifer Verteilerrohre
aus Kunststoff mit glatter Außenwandung bewährt.
Bei Verteilerrohren, die eine gewisse radiale oder axiale Flexibilität
aufweisen, unterliegen Klebe- oder Schweißverbindungen
jedoch einer Ermüdung, die mit der Zeit zu Leckagen und
zum Bruch führen kann.
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Flexible
Verteilerrohre sind jedoch andererseits erwünscht, weil
sie sich auf die Frostbeständigkeit und andere Eigenschaften
des Solarkollektors vorteilhaft auswirken können.
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Technische Aufgabe
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Der
vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Solarkollektor
mit flexiblem Verteilerrohr aus Kunststoff bereit zu stellen, der
sich durch einfache und sichere Montierbarkeit, Frostbeständigkeit,
Ermüdungsfestigkeit und hohe Effizienz auszeichnet und
der außerdem die Anforderungen an eine ästhetische
Anmutung erfüllt.
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Diese
Aufgabe wird ausgehend von einem Solarkollektor der eingangs genannten
Gattung erfindungsgemäß dadurch gelöst,
dass die Wandung des Verteilerrohrs mit einem Wellprofil versehen
ist, und dass die Rohranschlussstutzen in einem vorderen, dem Verteilerrohr
zugewandten Längenabschnitt mit einem nicht runden Innenquerschnitt
und mit einem nicht runden Außenquerschnitt ausgebildet
sind, wobei Innenquerschnitt und Außenquerschnitt jeweils eine
kürzere Abmessung in Richtung der Verteilerrohr-Längsachse
und senkrecht dazu eine längere Abmessung aufweisen.
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Beim
erfindungsgemäßen Solarkollektor sind ein, mehrere
oder bevorzugt alle Verteilerrohre mit einem Wellprofil versehen,
weisen also einen wellenförmig wechselnden Außendurchmesser
auf, wie dies bei einem Wellrohr üblich ist. Desweiteren
sind die Verteilerrohre mit Rohranschlussstutzen in besonderer Ausgestaltung
versehen, die eine einfach herzustellende und verlässliche
Verbindung der Verteilerrohre miteinander oder mit anderen Anschlusselementen
ermöglicht, wie dies im Folgenden noch näher erläutert
wird.
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Das
Verteilerrohr mit Wellrohr-Profil zeichnet sich durch eine gewisse
Flexibilität einerseits und durch eine hohe Gestaltsteifigkeit
gegenüber Außendruck bei relativ geringer Wandstärke
andererseits aus. Es kann in Teilstücken vorgegebener Länge
bereitstehen oder auch in Rollenform aufgewickelt sein, was die
Lagerhaltung vereinfacht und den Transport zum Einsatzort erleichtert.
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Der
Einsatz von Verteilerrohren mit Wellrohrprofil wirkt sich außerdem
auf die Frostbeständigkeit des Solarkollektors vorteilhaft
aus. Dies kann darauf zurückgeführt werden, dass
das Verteilerrohr infolge seines Wellrohrprofilierung elastisch
und biegsam ist und dadurch der Ausdehnung des Eises folgen kann.
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Weiterhin
zeigt ein unter Einsatz flexibler Verteilerrohre aufgebauter, mattenähnlicher,
flächiger Solarkollektor auch eine gewisse Biegsamkeit
in Richtung der Matten-Normale. Die flächige Anordnung
der Kollektorrohre kann sich daher Unebenheiten der Unterlage leicht
anpassen. Als Beispiel seien gewölbte Flächen
genannt, auf denen (Mauer) oder um die herum (Säulen, Türme)
der Solarkollektor vollflächig aufliegen kann, was nicht
nur aus ästhetischer Sicht vorteilhaft ist, sondern auch
Beschädigungen nur lokal aufliegender Teile des Solarkollektors
durch einwirkende Biegekräfte verhindert.
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Über
die Länge des Verteilerrohres sind Rohranschlussstutzen
für den Anschluss der Kollektorrohre verteilt. Im Unterschied
zu den bisherigen Kollektorrohren sind die Rohranschlussstutzen
nicht oder nicht ausschließlich mit rundem radialem Querschnitt
(senkrecht zur Längsachse der Rohranschlussstutzens) ausgebildet,
sondern mindestens in einem vorderen Längenabschnitt mit
einem nicht kreisförmigen radialen Querschnitt. Geeignete
nicht kreisförmige Innen- oder Außenquerschnitte
sind beispielsweise oval oder rechteckig und auch Zwischenformen
dazu.
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Wichtig
dabei ist, dass die kleinere Abmessung des Außenquerschnitts
in Richtung der Verteilerrohr-Längsachse verläuft.
Diese Abmessung wird im Folgenden auch als „Breite” des
Rohranschlussstutzens bezeichnet. Die geringere Breite ist in einem
vorderen Längenabschnitt des Anschlussstutzens vorgesehen,
der der Verteilerrohr-Wandung zugewandt ist. Dieser Längenabschnitt wird
im Folgenden auch als „Fuß” oder „Fußbereich” des
Rohranschlussstutzens bezeichnet.
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Das
bedeutet, dass der Rohranschlussstutzen in seinem Fußbereich
mit schmaler Breite ausgeführt ist. Bei nominal gleich
bleibendem Mittenabstand der Rohranschlussstutzen vergrößert
eine im Vergleich zur runden Ausführungsform geringere Breite
den Freiraum im Fußbereich und damit die Länge
der zur Herstellung einer flüssigkeitsdichten Verbindung
zur Verfügung stehenden Verteilerrohr-Mantelfläche.
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Da
die Verteilerrohr-Mantelfläche mit einem Weltprofil versehen
ist, kann der größere Freiraum im Fußbereich
bei gleicher Feinheit des Wellprofils ein oder mehrere Rillen (Wellentäler)
des Profils zusätzlich freistellen, die für eine
Verlängerung des Verteilerrohrs oder für einen
anderen Anschluss genutzt werden können.
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Bei
den Kollektorrohren handelt es sich in der Regel um Rundrohre mit
Wellprofil, die im einfachsten Fall auf die Rohranschlussstutzen
aufgesteckt werden. Zum diesem Zweck sind die Rohranschlussstutzen
in einem hinteren, dem Kollektorrohr zugewandten Längenabschnitt
vorzugsweise als Rundrohr mit rundem Außenquerschnitt ausgebildet.
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Der
hintere Längenabschnitt des Rohranschlussstutzens schließt
sich an den vorderen Längenabschnitt unmittelbar oder über
ein Zwischenstück an. Er dient zum Anschluss der Kollektorrohres und
hat daher einen an das anzuschließende Kollektorrohr in
Form und Abmessung angepassten Außenquerschnitt.
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Die
verhältnismäßig geringe Breite im Fußbereich
des Rohranschlussstutzens hat Einfluss auf dessen Innenquerschnitt
und kann zu einer Verringerung des Strömungsquerschnitts
für die zu erwärmende Flüssigkeit im
Vergleich zum Strömungsquerschnitt im daran angeschlossenen
Kollektorrohr führen. Eine Verengung in diesem Bereich
wirkt sich auf das Strömungsverhalten ungünstig
aus, erfordert einen höheren Druck und führt daher
auch zu verstärktem Abrieb im Bereich des Anschlussstutzens.
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Daher
ist bei einer bevorzugten Ausführungsform des Solarkollektors
vorgesehen, dass die Fläche des Innenquerschnitts im vorderen
Längenabschnitt mindestens so groß ist wie die
Fläche des Innenquerschnitts im hinteren Längenabschnitt.
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Dadurch,
dass die Fläche des Innenquerschnitts im Fußbereich
des Anschlussstutzens genau so groß oder sogar größer
ist, wird ein vorteilhaftes Strömungsverhalten ohne Druckverlust
durch eine vorgelagerte und unnötige Querschnittsverengung erreicht.
Dieser Effekt wird dadurch erzielt, dass im Fußbereich
des Rohranschlussstutzens die längere Abmessung des Innenquerschnitts
so groß ist, dass sie die geringere Breite so kompensiert
oder sogar überkompensiert, dass keine Verengung des Strömungsquerschnitts
auftritt. Die Fläche des Innenquerschnitts im hinteren
Längenabschnitt entspricht in der Regel in etwa der Fläche
des Innenquerschnitts des Kollektorrohres (sie ist geringfügig
kleiner, wenn das Kollektorrohr den Anschlussstutzen übergreift).
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Bei
bevorzugten Ausführungsformen des erfindungsgemäßen
Solarkollektors ist vorgesehen, dass der Außen- und der
Innenquerschnitt im vorderen Bereich abgerundet rechteckig bis oval
ausgebildet sind.
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Derartige
Querschnitte sowie Zwischenformen davon erlauben eine weitgehende
Querschnittsverringerung in Richtung der Verteilerrohr-Längsachse
bei gleichzeitiger Beibehaltung eines genügend großen
Strömungsquerschnitts.
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Weiterhin
hat es sich als günstig erwiesen, wenn der Rohranschlussstutzen
zwischen dem vorderen Längenabschnitt und dem hinteren
Längenabschnitt einen Absatz mit einer in Richtung des
Kollektorrohres weisenden Sockelfläche aufweist.
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Ein
derartiger Absatz am Außenmantel des Rohranschlussstutzens
ergibt sich auf einfache Weise dadurch, dass die längere
Abmessung im Fußbereich des Rohranschlussstutzens größer
ist als die entsprechende Abmessung (quer zur Verteilerrohr-Längsachse)
im Außenbereich, die sich beispielsweise als Radius eines
runden Querschnitts ergibt. Der so zwangsläufig erzeugte
Absatz zwi schen Fuß- und Außenbereich des Rohranschlussstutzens dient
vorteilhaft als Anschlag beim Aufschieben eines Kollektorrohres.
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Für
die Herstellung einer Verlängerung des Verteilerrohres
oder den dichten Anschluss anderer Bauteile oder stirnseitiger Abschlüsse
des Verteilerrohres hat sich eine Ausführungsform des Solarkollektors
bewährt, bei der ein Ende des Verteilerrohres von einer
Manschette übergriffen wird, die einen nach innen ragenden
Innenwulst aufweist, der in ein Wellental des Verteilerrohr-Wellprofils
eingreift.
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Zur
Herstellung einer flüssigkeitsdichten Verbindung ist eine
Manschette vorgesehen, die die Verteilerrohr-Mantelfläche
umgreift, und dabei mit einem oder mit mehreren Innenwülsten
versehen ist, die jeweils in ein Wellental (eine Rille) des Wellprofils
eingreifen. Dadurch wird zumindest zwischen Manschette und Verteilerrohr
eine Fügeverbindung erzeugt, die zu einer Fixierung des
Verteilerrohr-Endes beiträgt. In dem Fall genügt
es, ist der Innenwulst umlaufend oder in Form mehrere Noppen oder
Stege ausgebildet ist, die in die jeweilige Rille einrasten können.
In einer bevorzugten Ausführungsform dient der Innenwulst
oder ein weiterer Innenwulst auch zur Abdichtung. In dem Fall ist
ein umlaufender Innenwulst erforderlich, der in die jeweilige Rille
einrasten kann. Andernfalls wird die Abdichtung durch einen in ein
Wellental des Wellprofils eingelegten Dichtring erzeugt, den die
Manschette umgreift und an dem sie dicht anliegt.
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In
jedem Fall wird ist durch diese Art der Verbindung und Abdichtung
der Montageaufwand für die Herstellung der Verbindung gering
und Klebe- oder Schweißverbindungen, die wegen der Flexibilität
des erfindungsgemäßen Solarkollektors sowieso
nur eine geringe Lebensdauer hätten, erübrigen
sich dadurch. Dies wird durch die oben beschriebene Ausbildung der
Rohranschlussstutzen erreicht, die eine Schaffung von soviel Freiraum
im Fußbereich des Anschlussstutzen gewährleistet,
dass mindestens ein Wellental für die (dichtende) Aufnahme
eines umlaufenden Innenwulstes zur Verfügung steht. Davon
unabhängig kann die Manschette zusätzlich mit
einer den Fußbereich umgreifenden Aussparung versehen sein,
wie dies aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt ist.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Solarkollektors ist vorgesehen, dass die Manschette aus einem elastischen
Werkstoff besteht und dass der mindestens eine Innenwulst durch
Eingriff in das Wellental das Verteilerrohr nach Außen
abdichtet.
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Dadurch,
dass die Manschette einschließlich ihres Innenwulstes aus
einem elastischen Werkstoff besteht, kann diese gleichzeitig als
Dichtung wirken. Hierbei ist ein innen umlaufenden Innenwulst vorgesehen.
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Es
hat sich als besonders günstig erwiesen, wenn die Rohranschlussstutzen
integraler Bestandteil des Verteilerrohres sind.
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Verteilerrohr
und Rohranschlussstutzen bilden hierbei einen integralen Verbund,
sie sind also aus einem Stück gefertigt. Die Rohranschlussstutzen sind
mit der Außenwandung des Verteilerrohres integral verbunden
und werden vorteilhafterweise im gleichen Arbeitsgang geformt. Als
Beispiele hierfür seien ein kontinuierliches Extrusionsblasverfahren oder
ein diskontinuierliches Blasformverfahren genannt. Der integrale
Verbund hat den Vorteil, dass der Aufwand für die nachträgliche
Ausbildung einer formschlüssigen und dichten Verbindung
zwischen Verteilerrohr und Rohranschluss (etwa durch Verschweißen
von Kunststoffteilen) entfällt ebenso wie die in der Regel
damit einhergehende thermische Belastung des Verteilerrohres. Eine
Störung der bei der Herstellung des Verteilerrohres vorgegebenen
Kraftlinienverläufe (mit eher geringen mechanischen Spannungen)
durch ein nachträgliches Anbringen von Teilen wird vermieden,
und damit auch die Ausbildung von Spannungsspitzen. Der integral
angeformte Rohrstutzen trägt daher auch bei andauernden
Verformungskräften zu einer geringeren Rissanfälligkeit
bei.
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Es
hat sich auch als besonders vorteilhaft erwiesen, wenn die Rohranschlussstutzen
entlang einer ersten Längsseite der Verteilerrohr-Wandung
angeordnet sind, und auf der der ersten Längsseite gegenüberliegenden
zweiten Längsseite der Verteilerrohr-Wandung eine Vielzahl
von Prägeelementen zur Formstabilisierung vorgesehen sind.
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Bei
den Prägeelementen handelt es sich um eine maschinell hergestellte
Ausformungen im Bereich der Verteilerrohr-Wandung, die jeweils einem Rohranschlussstutzen
ungefähr – im Idealfall genau – gegenüberliegen.
In der Regel sind die Prägeelemente als ringförmige
Vertiefungen oder Erhebungen mit etwa den (radialen) Abmessungen
im Fußbereich des Rohranschlussstutzens ausgeformt. Die
Prägeelemente bewirken einen Ausgleich mechanischer Spannungen,
die infolge der nur einseitig in der Verteilerrohr-Wandung integrierten
Rohranschlussstutzen erzeugt würden, und sie tragen so
zu einer besseren Formbeständigkeit und Dichtigkeit des
Solarkollektors bei. Darüber hinaus erhöhen sie
die Steifigkeit des Wellrohres.
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Im
Idealfall liegt jedem Rohranschlussstutzen an der ersten Längsseite
jeweils ein Prägeelement an der zweiten Längsseite
der Verteilerrohr-Wandung exakt gegenüber. Abweichungen
von diesem Idealfall sind in gewissem Umfang hinnehmbar, führen
aber zu höheren mechanischen Spannungen innerhalb des Verteilerrohres.
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Weiterhin
hat es sich als günstig erwiesen, wenn auch die Prägeelemente
integraler Bestandteil des Verteilerrohres mit Wellprofil sind.
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Die
Prägeelemente und die Rohranschlussstutzen sind hierbei
mit der Außenwandung des Verteilerrohres integral verbunden
und werden im gleichen Arbeitsgang ausgeformt. Der integrale Verbund hat
den Vorteil, dass der Aufwand für ein nachträgliches
Erzeugen von Prägeelementen und die damit einhergehenden
Störungen des Kraftlinienverlaufs in der Wandung des Verteilerrohres
vermieden werden.
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Es
hat sich außerdem bewährt, wenn die Kollektorrohre
als Wellrohre ausgebildet sind, die über ihre Länge
gleichmäßig verteilte Markierungsbereiche mit
vermindertem Außendurchmesser aufweisen.
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Kollektorrohre
sind in aller Regel in Form von Wellrohren ausgeführt,
und sie werden bei der Montage des Solarkollektors nach Bedarf von
der Rolle abgeschnitten. Ergänzend dazu zeigen die Kollektorrohre
gemäß der Erfindung vorzugsweise über
ihre Länge gleichmäßig verteilte Markierungsbereiche. Die Markierungsbereiche
sind in einem konstanten Abstand voneinander – beispielsweise
alle 50 cm – über die Länge des Kollektorrohres
verteilt, und sie sind optisch durch einen verminderten Außendurchmesser
erkennbar. Zusätzlich können auch Markierungen
anderer Art vorgesehen sein, wie etwa Markierungen durch Farbe oder
Prägung der Oberfläche. Eine Funktion der Markierungsbereiche
besteht darin, dass sie das Abmessen der Rohrlänge beim
Zurechtschneiden erleichtern.
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Außerdem
können sie zur Stabilisierung der mattenförmigen
Anordnung der Kollektorrohre herangezogen werden, sofern diese parallel
zueinander angeordnet sind und ihre Markierungsbereiche in einer
geraden Linie oder in mehreren geraden Linien liegen. Denn in diesem
Fall ist es leicht möglich, entlang der Linie oder der
Linien der Markierungsbereiche ein oder mehrere Stabilisierungsprofile
anzuordnen, die mit den Markierungsbereichen zusammenwirken. Hierzu
weist jedes Stabilisierungsprofil über seine Länge
mehrere offene, halbkreisförmige Aussparungen für
die Kollektorrohre auf. Die Größe der Aussparungen
ist dabei auf dem verminderten Außendurchmesser der Markierungsbereiche
ausgelegt. Die Kollektorrohre werden so – mittels ihrer
Markierungsbereiche – in einem oder in mehreren Stabilisierungsprofilen
fixiert. Eine Verschiebung in Längsachsenrichtung ist danach
nur im Umfang der Länge des Markierungsbereiches möglich.
Dadurch wird ein übermäßiges Verziehen
der mattenförmigen Anordnung – etwa durch mechanische
Einwirkungen oder durch Unterschiede in der thermischen Ausdehnung zwischen
Tag und Nacht, die sogar zu einem allmählichen „Wegwandern” des
Solarkollektors führen können – vermindert,
und so eine gewisse Formstabilität der Anordnung erreicht.
Andererseits wird die erforderliche Flexibilität zum Ausgleich
von Wärmedehnungen beibehalten.
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Die
Markierungsbereiche können als Wandungsbereiche mit feinerer
Wellenform und dickerer Wandstärke ausgebildet sein – im
Folgenden auch als „Feinwelle” oder „feinwellig” bezeichnet – und
ansonsten eine gröbere Wellenform, was im Folgenden auch
als „Grobwelle” oder „grobwellig” bezeichnet wird.
Die feinwelligen Bereiche sind optisch leicht erkennbar und sie
zeichnen sich durch eine vergleichsweise größere
Wandstärke und damit durch eine höhere me chanische
Stabilität aus. Dies vermindert die Gefahr einer mechanischen
Beschädigung, wenn an diesen Bereichen eine Fixierung angreift,
wie beispielsweise durch Einclipsen in Aufnahmen eines Stabilisierungsprofils,
wie oben beschrieben.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Solarkollektors ist dem Verteilerrohr ein biegesteifes Formprofil
zugeordnet, das in einem Parallelabstand von weniger als 50 cm zum
Verteilerrohr verläuft, und das über seine Länge
offene Aufnahmen für eine Clipsverbindung mit den Kollektorrohren
aufweist.
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Das
Verteilerrohr oder die Verteilerrohre des erfindungsgemäßen
Solarkollektors zeigen infolge ihrer Ausbildung als Wellrohr eine
gewisse Flexibilität und tragen somit zur Formstabilität
der mattenförmigen Anordnung der Kollektorrohre weniger
bei als die traditionellen, biegesteifen Gattrohre. Für
Anwendungen, bei denen eine gewisse Formstabilität gewünscht
ist, ist vorzugsweise jedem flexiblen Verteilerrohr ein biegesteifes
Formprofil zugeordnet. Das Formprofil verläuft parallel
und in einem geringen Abstand zum jeweiligen Verteilerrohr und trägt
so zur Formstabilisierung der Kollektorrohr-Anordnung bei. Es liegt
vorzugsweise unterhalb der Kollektorrohre und zeigt beispielsweise
nach oben offene, halbkreisförmige Ausnehmungen zur Aufnahme
der Kollektorrohre. Der Durchmesser der Ausnehmungen ist an den
Durchmesser der Kollektorrohre angepasst. Über die Länge
der Kollektorrohre können mehrere derartiger Formprofile
vorgesehen sein, wobei diese dann als „Stabilisierungsprofile” im
oben erläuterten Sinne dienen.
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Vorzugsweise
bestehen die Verteilerrohre und die Kollektorrohre aus dem gleichen
Kunststoff. Fügeverbindungen der Bauteile miteinander zeigen wegen
des jeweils gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten geringe
Dichtungs- und Alterungsprobleme, was sich auch im Hinblick auf
eine gute Frostbeständigkeit bemerkbar macht.
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Bei
einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen
Solarkollektors weist das Verteilerrohr eine lichte Weite im Bereich
von 40 mm bis 75 mm auf.
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Ausführungsbeispiel
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Nachfolgend
wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen und
einer Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigt in
schematischer Darstellung im Einzelnen:
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1 eine
Ausführungsform eines erfindungsgemäßen
Solarkollektors zum Erwärmen des Badewassers eines Swimmingpools
in einer Draufsicht auf die Absorbermatte,
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2 einen
radialen Schnitt durch ein Verteilerrohr mit Weltprofil und stufigem
Rohranschlussstutzen gemäß der Erfindung,
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3 eine
Draufsicht auf die Unterseite des Verteilerrohres gemäß 2 im
Bereich einer Sicke,
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4 eine
Seitenansicht des Verteilerrohres gemäß 2 mit
mehreren Rohranschlussstutzen,
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5 den
Anschluss eines Kollektorrohres an den Rohranschlussstutzen,
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6 einen
Anschluss an ein Verteilerrohr mittels einer Gummimanschette,
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7 eine
Draufsicht auf einen stufigen Rohranschlussstutzen gemäß der
Erfindung, und
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8 einen
Längenabschnitt einer bevorzugten Ausführungsform
eines Kollektorrohres mit einer Markierung im Längsschnitt.
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Der
in 1 dargestellte Solarkollektor ist in Form eines
Diagonal-Absorbers für den Einsatz mit einem Swimmingpool
nach dem so genannten Tichelmann-Prinzip ausgeführt. Die
Absorbermatte 1 besteht im Wesentlichen aus zwei stirnseitig
angeordneten Verteilerrohren 3, 4, die über
eine Vielzahl paralleler zueinander verlaufender Kollektorrohre 2 miteinander
verbunden sind. Die Kollektorrohre 2 und die Verteilerrohre 3, 4 bestehen
aus Polypropylen, das ge genüber UV-Strahlung stabilisiert
und gegenüber chlorhaltigem Wasser resistent ist.
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Das
zu erwärmende Wasser gelangt über den Einlauf 5 in
die Verteiler-Zuleitung 3, die sich über die gesamte
Einlassseite der Absorber-Matte 1 erstreckt. Die andere
Seite der Verteiler-Zuleitung 3 ist verschlossen. Das zu
erwärmende Wasser verteilt sich annähernd gleichmäßig
in den Kollektorrohren 2, durchströmt diese unter
Wärmeaufnahme in der durch den Richtungspfeil „R” angezeigten
Richtung und tritt auf der gegenüberliegenden Auslassseite
in die Verteiler-Ableitung 4 ein, von wo es über
den Auslass 8 wieder aus der Absorbermatte 1 austritt
und in einen (in der Figur nicht dargestellten) Swimmingpool gelangt.
Das dem Auslass 8 gegenüberliegende Ende der Verteiler-Ableitung 4 ist
verschlossen
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Die
Verteiler-Zuleitung 3 und die Verteiler-Ableitung 4 werden
im Folgenden auch kurz als „Verteilerrohre” bezeichnet.
Bei den bekannten Solarkollektoren dieser Art bestehen die Verteilerrohre 3, 4 aus
einem biegesteifen Glattrohr, das der mattenförmigen Anordnung 1 eine
gewisse mechanische Stabilität verleiht.
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Im
Unterschied dazu werden beim Solarkollektor gemäß vorliegender
Erfindung Verteilerrohre 3, 4 eingesetzt, deren
Wandung mit einem Wellprofil versehen ist. Die Verteilerrohre 3, 4 werden
mittels eines Extrusionsblasverfahrens aus dem gleichen Polypropylen-Kunststoff
gefertigt wie die Kollektorrohre 2, sie haben jedoch eine
deutlich größere lichte Weite. Beim Extrudieren
werden in einem regelmäßigen Abstand von 35 mm
Rohranschlussstutzen 11 und jedem Rohranschlussstutzen 11 genau
gegenüberliegend eine so genannte Sicke 10 (siehe 2)
in der Wandung der Verteilerrohre 3, 4 ausgeformt.
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Das
Wellprofil, welches sowohl auf der Außen- als auch auf
der Innenwandung der Verteilerrohre 3, 4 vorgesehen
ist, verleiht den Verteilerrohren 3, 4 eine gewisse
Flexibilität.
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Die
flexiblen Verteilerrohre 3, 4 werden entweder
als Rolle gewickelt oder in Standardlängen vor Ort gebracht
und – ebenso wie die Kollektorrohre 2 – dort auf
die vorgegebene Länge zugeschnitten. Die Ausführung
der Verteilerrohre 3, 4 aus „Wellrohr” erleichtert
den Transport und die Montage und die Flexibilität des
Wellrohres und gewährleistet eine hohe Frostbeständigkeit
des Kollektors insgesamt.
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Zur
Formstabilisierung sind auf beiden Stirnseiten der Absorbermatte 1 jeweils
in einem Abstand von etwa 30 cm von den Verteilerrohren 3, 4 biegesteife
Formprofile 6 vorgesehen. Die beidseitigen Formprofile 6 erstrecken
sich über die gesamte Breite der Absorbermatte 1,
und sie verlaufen parallel zu den Verteilerrohren 3, 4.
Sie weisen nach oben offene, halbkreisförmige Ausnehmungen
auf, in denen die Kollektorrohre 2 mittels lösbarer
Clipsverbindung gehalten werden. Die Kollektorrohre 2 weisen
im betreffenden Haltebereich (dieser entspricht dem Markierungsbereich 60,
siehe auch 8) einen geringeren Außendurchmesser
und eine höhere Wandstärke auf. Die Markierungsbereiche 60 sind
mit einem feineren Wellprofil versehen und dadurch leicht zu erkennen.
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Ähnliche
Halteprofile 7 sind über die Länge der
Absorbermatte 1 in einem Abstand von 50 cm gleichmäßig
verteilt, wobei die Kollektorrohre 2 jeweils mit ihren
Markierungsbereichen 60 der in Ausnehmungen der Halteprofile 7 eingeclipst
sind. Diese Halteprofile 7 werden weiter unten im Zusammenhang
mit einer beispielhaften Beschreibung bevorzugter Kollektorrohre 2 anhand 8 noch
näher erläutert.
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Details
und vorteilhafte Ausführungsformen der Verteilerrohre 3, 4 sind
am Beispiel des Verteilerrohres 3 in den 2 bis 6 dargestellt.
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2 zeigt
einen radialen Schnitt durch das Verteilerrohr 3. Die Verteilerrohr-Längsachse 14 (siehe 3)
verläuft hier senkrecht zur Blattebene. Die lichte Weite
des Verteilerrohres 3 beträgt 40 mm, der Außendurchmesser
50 mm und die Wandstärke liegt bei etwa 1 mm. Die Verteilerrohr-Wandung 15 ist
Innen wie Außen mit einem Wellprofil versehen. In das Verteilerrohr 3 münden
im gleichen Abstand voneinander gerippte Rohranschlussstutzen 11.
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Die
Rohranschlussstutzen 11 weisen zwei unterschiedlich ausgeformte
Längenabschnitte auf, die auch aus der Draufsicht von 7 zu
erkennen sind.
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Der
vordere, mit der Wandung 15 unmittelbar integral verbundene
Längenabschnitt 16 (Fußbereich) ist im
Innen- und Außenquerschnitt abgerundet rechteckig, und
der sich darin unmittelbar anschließende, hintere Längenabschnitt 17 (Anschlussbereich)
hat kreisförmige radiale Innen- und Außenquerschnitte.
Die lange Abmessung LL des rechteckig-ovalen
Außenquerschnitts im Fußbereich 16 beträgt
25 mm und die kurze Abmessung LK liegt bei
10 mm. Die lange Abmessung L verläuft bei der Darstellung
von 2 in der Blattebene, also senkrecht zur Längsachse 14 und
die kurze Abmessung LK (siehe 7)
verläuft parallel zur Längsachse 14.
Der Außendurchmesser des Rohranschlussstutzens 11 im Anschlussbereich 17 beträgt
etwa 16 mm. Der Innenquerschnitt des Rohranschlussstutzens 11 im
Fußbereich 16 ist etwas größer
als derjenige im Anschlussbereich 17.
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Infolge
der Längenunterschiede zwischen der langen Abmessung LL im Fußbereich 16 und
dem Außendurchmesser des Rohranschlussstutzens 11 im
Anschlussbereich 17, zeigt der Außenmantel des Rohranschlussstutzens 11 eine
Stufe 9 mit einer nach oben (in Richtung des Anschlussbereichs 17) weisenden
Fläche.
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Die
Rohranschlussstutzen 11 sind auf einer gemeinsamen Längsseite
der Verteilerrohr-Wandung 15 vorgesehen und auf der gegenüberliegenden Längsseite
der Verteilerrohr-Wandung 15 und jedem Rohranschlussstutzen 11 jeweils
genau gegenüberliegend ist eine so genannte Sicke 10 vorgesehen, die
in 3 schematisch in einer Draufsicht gezeigt ist.
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Die
Sicke 10 trägt zur Spannungskompensation und zur
Versteifung des Verteilerrohres 3 bei. Sie ist als ovale
Erhöhung mit etwa den radialen Außenabmessungen
des Fußbereichs 16 des Rohranschlussstutzens 11 ausgeführt.
Sicke 10 und Rohranschlussstutzen 11 werden in
einem kontinuierlichen Extrusions-Blasverfahren unmittelbar beim
Extrudieren des Verteilerrohrs 3 ausgeformt und bilden
einen integralen Bestandteil desselben. Aus 3 ist auch die
Ausgestaltung der Verteilerrohr-Wandung 15 mit einem Wellprofil
gut zu erkennen. Mit der Bezugsziffer 12 ist ein „Wellental” des
Wellprofils, und mit der Bezugsziffer 13 ist ein „Wellenberg” bezeichnet.
Der Mittenabstand der Wellen berge liegt bei 5 mm. Eine preiswertere
Herstellung des Verteilerrohres 3 erfolgt mittels eines
diskontinuierlichen Blasformverfahrens, wobei jedoch nur Rohrstücke
mit einer der Blasform entsprechenden Länge herstellbar
sind.
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Aus
der Seitenansicht des Verteilerrohres 3 von 4 ist
erkennbar, dass die Wandung des Verteilerrohres 7 mit mehreren
Rohranschlussstutzen 11 versehen ist, die einen Mittenabstand
von 35 mm voneinander haben. Die Position der Rohranschlussstutzen 11 und
der ihr Außendurchmesser sind so gewählt, dass
zwischen benachbarten Rohranschlussstutzen 11 stets genau
fünf Wellentäler 12 des Wellprofils frei
bleiben, wie dies der Blockpfeil 40 andeutet. Dies gelingt
nur durch den schmal ausgelegten Fußbereich 16.
Wäre dieser genauso breit wie der Anschlussbereich 17,
so wären nur drei Wellentäler 12 zwischen
den Rohranschlussstutzen 11 frei, was eine Verlängerung
des Verteilerrohrs oder den Anschluss anderer Bauteile, wie Zulauf
und Ablauf, Verzweiger, Messeinrichtungen oder Endkappen sehr erschweren
würde.
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Der
breitere Abstand (40) zwischen den Rohranschlussstutzen 17 bietet
außerdem eine größere Auflagefläche
für Halterungen für den Solarkollektor. Dadurch
können breitere Haltemittel, wie etwa Schlauchschellen
oder vorzugsweise Gummibänder, eingesetzt werden, so dass
sich die Haltekräfte auf eine größere
Fläche verteilen. Dadurch wirken geringere Flächenlasten
an den Verteilerrohren und es wird Abrieb erzeugt, was gerade bei
den dünnwandigen Wellrohren besonders wünschenswert
ist.
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In 5 zeigt
schematisch die Herstellung einer Verbindung zwischen Rohranschlussstutzen 11 und
Kollektorrohr 2, indem dieses über den Außenmantel
des Anschlussbereichs 17 geschoben wird. Der (in der Darstellung
von 5 nicht sichtbare) Absatz zum Fußbereich 16 dient
dabei als Anschlag.
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Zur
Abdichtung wird eine Dichtungshülse 50 aus Gummi
eingesetzt, die den Zylinderaußenmantel des Anschlussbereich 15 eng
umschließt, und die mit Noppen versehen ist, die ein Abrutschen
des aufgesteckten Kollektorrohres 2 verhindern. Zur besseren Fixierung
der Dichtungshülse 50 auf dem Rohranschlussstutzen 11 ist
vorzugsweise auch dessen Zylinderaußenmantel mit einer
umlaufenden schrägen Kante oder ähnlichem versehen,
die wie ein Widerha ken gegen das Abrutschen des Kollektorrohres 2 wirkt.
Dadurch kann der Rohranschlussstutzen 11 außerdem
mit vergleichsweise kurzer Länge ausgeführt werden,
was die Montage des Solarkollektors erleichtert und beschleunigt.
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Zur
Verlängerung des Verteilerrohrs 3 oder für
den Anschluss einer Zu- oder Ableitung für das zu erwärmende
Wasser ist eine innengewellte Manschette 70 aus Gummi vorgesehen,
wie sie von 6 schematisch zeigt. Das Innenprofil 71 der Manschette
ist an das Wellprofil des Verteilerrohres 3 angepasst.
Die Manschette 70 ist auf dem Ende des Verteilerrohres 3 fest
aufgezogen und dichtet dabei über das Wellprofil nach Außen
ab und dient gleichzeitig zur mechanischen Halterung und Fixierung
des Verteilerrohres 3. Im Ausführungsbeispiel
sind zwei Wellentäler zur Abdichtung und Fixierung vorgesehen.
Dies wird durch den schmalen Fußbereich 16 des
Rohranschlussstutzens 11 ermöglicht, an dem die
Manschette 70 fast anliegt. Zu diesem Zweck ist die Dicke
der Wandung der Manschette 70 so ausgelegt, dass sie im
aufgesetzten Zustand unterhalb des Absatzes 9 und des Anschlussbereichs 17 zu
liegen kommt.
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Im
Ausführungsbeispiel von 6 dient
die Manschette 70 zum Anschluss eines Bauteils, das ebenfalls
einen Außenmantel mit Wellprofil aufweist. Daher ist die
Manschette 70 über ihre gesamte Innenwandung mit
dem entsprechenden Innen-Wellprofil versehen. Zum Anschluss eines
Bauteils mit glatter Außenwandung, etwa einem Glattrohr,
ist bei einer anderen Ausführungsform der Manschette die eine
Hälfte der Innenwandung glatt.
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8 zeigt
einen Längsschnitt einer bevorzugten Ausführungsform
eines Kollektorrohres 2 zum Einsatz in einem Solarkollektor
gemäß der Erfindung. Das Kollektorrohr 2 ist
als Wellrohr ausgeführt, und es wird bei der Montage des
Solarkollektors vor Ort nach Bedarf von der Rolle abgeschnitten.
Um dies zu erleichtern, ist das Kollektorrohr 2 mit Markierungsbereichen 60 versehen,
die in einem konstanten Mittenabstand von 50 cm voneinander über
die gesamte Länge der Kollektorrohres 2 verteilt
sind. Die Markierungsbereiche 60 sind optisch von den übrigen
Bereichen durch ein Wellprofil erkennbar, das über eine Länge
von etwa 1 cm als Feinprofil 62 ausgeführt ist. Die „Wellenberge” sind
im Bereich des Feinprofils 62 3 mm voneinander entfernt
(im Gegensatz zu 5 mm beim Grobprofil 61 in den übrigen
Bereichen). Die optisch erkennbare Längenmarkierung erleichtert
die Montage und vermindert den Verschnitt.
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Die
Markierungsbereiche 60 werden außerdem in Verbindung
mit den Halteprofilen 7 (siehe 1) zur Formstabilisierung
der Absorbermatte 1 herangezogen. Zu diesem Zweck weist
das Kollektorrohr 2 m Bereich der Feinwelle 62 einen
geringeren Außendurchmesser von 20 mm und eine höhere Wandstärke
von 1 mm auf, im Vergleich zu den Bereichen der Grobwelle 61 mit
einem Außendurchmesser von 25 mm und einer Wandstärke
von 0,8 mm. Die Bereiche der Feinwelle 62 zeichnen sich
somit durch einen geringeren Außendurchmesser, jedoch durch
eine vergleichsweise größere Wandstärke
und durch eine höhere mechanische Stabilität aus.
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Innerhalb
der Absorbermatte 1 werden die Kollektorrohre 2 so
angeordnet, dass ihre Markierungsbereiche 60 jeweils in
geraden Linien parallel zu den Verteilerohren 3, 4 verlaufen.
Entlang dieser Linien sind die Halteprofile 7 – in
einem Abstand von 50 cm – entsprechend dem Abstand der
Markierungsbereiche 60 voneinander – angeordnet.
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Die
Halteprofile 7 sind in einem Abstand, der dem Montageabstand
der Kollektorrohre 2 entspricht, mit halbkreisförmigen
Ausnehmungen versehen, in welche die Kollektorrohre 2 mit
ihren Feinwellen- oder Markierungsbereichen 60 eingeclipst
werden. Die Kollektorrohre 2 werden so in den Halteprofilen 7 zusätzlich
fixiert, wobei aber eine gewisse Verschiebung in Richtung der Längsachse 63 möglich bleibt.
Dies trägt zur Formstabilität der Absorbermatte 1 bei,
und gleichzeitig wird eine gewisse Flexibilität zum Ausgleich
von Wärmedehnungen beibehalten. Insbesondere wird ein allmähliches
Abgleiten der Absorbermatte 1 vermieden, das ansonsten
bei geneigten Auflageflächen beobachtet wird, und das auf
das sukzessive Ausdehnen und Zusammenziehen der Kollektorrohre 2 zurückzuführen
ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005061008
B3 [0003]
- - DE 10039111 B4 [0004]
- - DE 8815930 U1 [0008]