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Die Erfindung betrifft einen Wärmeverteiler, der sich insbesondere für die gleichmäßige und schnelle Verteilung von Wärme in latenten und sensiblen Speichermedien anbietet; darüber hinaus eignet er sich für die Ableitung von Wärme aus Wärmequellen, beispielsweise bei Heat-Pipes und Leistungshalbleitern.
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Bei der Nutzung alternativer Energien steht in Folge der oft auftretenden zeitlichen Diskrepanz zwischen Bereitstellung und Nutzung der Energie das besondere Problem der effektiven Wärmespeicherung. Mit Latentspeichern lässt sich die thermische Energie mit relativ hoher Energiedichte speichern. Dabei wird die Schmelz- bzw. Erstarrungsenthalpie von Materialien genutzt, deren Schmelz-/Erstarrungstemperatur im Bereich der Anwendungs-/Umwandlungstemperatur der eingesetzten Prozesse liegt. Derartige Materialien bezeichnet man als Latentspeichermaterialien (engl.: phase change material – PCM).
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Viele Latentspeichermaterialien haben den Nachteil, dass sie eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit (< 0.5 W/(m·K)) aufweisen, wodurch sich Wärme nur sehr schlecht innerhalb des Speichers verteilt und damit zu langen Be- und Entladezeiten führt. Um diesen Nachteil zu kompensieren, wird bei bekannten Lösungen das PCM entweder in kleine Volumina aufgeteilt, die einzeln oder in einer Schüttung von einem Wärmetransportmedium (meist Wasser) umspült werden oder es wird versucht, die Wärmeaustauschfläche mit Hilfe von Einbauten, wie Metallschäumen (z. B.
DE 100 07 848 A1 ), Rohrschlangen (z. B. 20 2010 000 027 U1) und Wärmeleitblechen (z. B. 20 2005 020 584 U1) zu vergrößern. Diese Einbauten genügen jedoch nicht den Anforderungen einer schnellen und gleichmäßigen Be- und Entladung eines Wärmespeichers.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Wärmeverteiler zur Verfügung zu stellen, der es ermöglicht, Wärmeenergie von einer Wärmequelle schnell und gleichmäßig in das Volumen einer Wärmesenke und umgekehrt zu leiten.
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Gelöst wird die Aufgabe durch einen Wärmverteiler mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Ansprüche 8 bis 11 beanspruchen Schutz für Verwendungen des erfindungsgemäßen Wärmeverteilers.
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Der erfindungsgemäße Wärmeverteiler besteht aus einem Grundkörper und zumindest einer mit dem Grundkörper in thermischen Kontakt stehenden Rippe, wobei die zumindest eine Rippe vom Grundkörper weg gerichtet ist und die Rippe aus einem Rippenstamm besteht, der sich in Rippenäste gabelt, die sich wiederum in Rippenzweige aufteilen.
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Der Begriff Wärme wird innerhalb dieser Schrift als über eine Systemgrenze hinweg transportierte thermische Energie aufgefasst. Der Wärmeverteiler wird demnach zum einen im wörtlichen Sinn als Verteiler und zum anderen auch als Sammler, bei dem der Wärmefluss in der entgegengesetzten Richtung stattfindet, aufgefasst.
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Der Grundkörper des Wärmeverteilers steht mit einem Heiz- oder Kühlmedium oder allgemein einer thermischen Quelle oder Senke in thermischen Kontakt.
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Die Wärmeenergie, die an einem Punkt bzw. einer Fläche, beispielsweise einem von heißem Wasser durchflossenes Rohr einer Solaranlage, einer Fußbodenheizung oder dem Kondensationsende einer Heat-Pipe, wird über den massiven Rippenstamm, der aus einem thermisch gut leitenden Material besteht und damit einen hohen Wärmestrom ermöglicht, schnell aus dem Wärmeträgermedium aufgenommen. Aufgrund der Wärmeleitung innerhalb des Materials wird die Wärme schnell vom Wärmeträgermedium weggeführt und über die Rippenäste in kleinere Teilströme und über die Rippenzweige in noch kleinere Teilströme aufgeteilt. Über die Oberflächen der Rippenstämme, -äste und -zweige wird die Wärmeenergie an die Wärmesenke abgegeben.
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An den Gabelungen (Rippestamm – Rippenast, Rippenast – Rippenzweig) bleibt die Querschnittsfläche der Rippe bevorzugt Konstant; d. h., die Querschnittsfläche des Rippenstamms bzw. Rippenasts vor der Gabelung entspricht der Summe der Querschnittsflächen der Rippenäste bzw. Rippenzweige unmittelbar nach der Gabelung.
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Durch das Verästeln und Verzeigen erhöht sich die Oberfläche des Wärmeverteilers und das durch diesen eingeschlossne Volumen, wodurch die Wärme besonders gut und gleichmäßig an das den Wärmeverteiler umgebende – im Regelfall schlecht wärmeleitende – Medium übertragen wird.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung ist der Wärmeverteiler einteilig, beispielsweise ein Rohr; ein solcher Wärmeverteiler, etwa aus Kunststoff oder Aluminum, lässt sich kostengünstig durch Strangpressen herstellen.
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Eine andere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass der Wärmverteiler aus mehreren stoff- und/oder formschlüssig miteinander verbunden Einzelteilen besteht; insbesondere ist vorgesehen, dass die einzelnen Rippe(n) aus dreidimensionalen, geometrischen Körpern zusammengesetzt sind. Es ist auch vorgesehen, die Rippen des Wärmeverteilers mit Durchbrüchen zu versehen, um so eine Konvektion eines Wärmespeichermediums, z. B. eines Phase-Change-Materials (PCM), zu ermöglichen.
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So ist u. a. beabsichtigt, die zumindest eine Rippe aus flächig aneinander liegenden, kraft- und/oder formschlüssig verbunden Blechen herzustellen. Die so hergestellte Rippe steht, ebenso wie eine einteilige (beispielsweise aus dem Vollen gefräste) Rippe, wiederum über eine stoff- und/oder formschlüssige Verbindung mit dem Grundkörper wärmeleitend in Kontakt.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Rippen durch die Wände von bündig aneinander liegenden, trichterförmigen Hohlkörpern, die einen mehreckigen Querschnitt haben, gebildet werden; die aneinander liegenden Wände bilden die Rippenstämme. Die Verästelung der Rippen entsteht durch das Anbringen von weiteren trichterförmigen Hohlkörpern am weiten Ende der trichterförmigen Hohlkörper.
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Ausgangsmaterial für die geometrischen Grundkörper ist bevorzugt Blech, welches durch Zuschneiden oder Stanzen und anschließendes Falten oder Abkanten zu dreidimensionalen Körpern geformt wird. Damit wird ein in einfacher Weise ein modularerer Aufbau des erfindungsgemäßen Wärmeverteilers ermöglicht.
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Indem der Grundkörper mit Rippen versehen wird, deren Stämme unterschiedlich dick sind, lässt sich beeinflussen, in welche Richtung die Wärme von dem Grundkörper weggeführt wird. Die Richtung des Wärmestroms lässt sich darüber hinaus über Anzahl und Orientierung der Ast- und Zweigrippen beeinflussen. Dieser Effekt wird dadurch verstärkt, dass die Rippen bei sich linear erstreckenden Wärmequellen bzw. -senken längs der Achse dieser Wärmequelle verlaufen; es findet eine gerichtete Wärmeleitung statt.
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Der erfindungsgemäße Wärmeverteiler bietet sich so u. a. für Wärmespeicher und Warmwasser-Fußbodenheizungen an.
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Bei einer Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmeverteilers in Kombination mit einen Wärmespeicher einer Solarthermieanlage, wird der in den Sonnenkollektoren einer solchen Anlage erwärmte Wärmeträger durch einen erfindungsgemäßen Wärmeverteiler geleitet, der die Wärme gleichmäßig in dem Speichermedium im Wärmespeicher verteilt. Durch eine solche Beladung des Speichers wird im Vergleich mit konventionellen Verteiler, bestehend aus glatten Rohr oder aus Rohren mit einfachen (unverästelten und unverzweigten) Rippen, eine schnellere und gleichmäßigere Be- und Entladung des Wärmespeichers erreicht.
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Bei Warmwasser-Fußbodenheizungen wird die Wärme durch zueinander beabstandet verlegte und in Estrich eingegossene Rohre in den Fußboden eingebracht. Durch Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmeverteilers wird sichergestellt, dass die Wärme aus den von heißen Wasser durchflossenen Rohren gleichmäßig im Fußboden verteilt wird, wodurch sich an der Fußbodenoberseite eine homogenere und damit behaglichere Wärmeverteilung einstellt, als mit bekannten Vorrichtungen.
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Darüber hinaus gewährleistet der erfindungsgemäße Wärmeverteiler eine schnelle Temperaturänderung an der Fußbodenoberfläche. Bei herkömmlichen Fußbodenheizungen wird die Wärme aus den Rohren über den schlecht wärmeleitenden Estrich an die Oberfläche geführt; eine Änderung der Temperatur des Heizmediums führt hier zu einer stark zeitverzögerten Temperaturänderung an der Fußbodenoberfläche.
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Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeverteiler wird die Wärme dagegen in Richtung Fußbodenoberfläche geleitet.
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Eine weitere Verwendung des erfindungsgemäßen Wärmeverteilers bietet sich in Hindernisbefeuerungen, beispielsweise von Windkraftanlagen, an. Diese arbeiteten mit Hochleistungsleuchtdioden (LED's) oder Blitzlampen, die beim Betrieb eine hohe Wärmestromdichte erzeugen, die, wenn sie nicht schnell genug abgeführt wird, zu einer zu hohen Betriebstemperatur der LED's/Blitzlampen führt, wodurch sich die Lebensdauer der LED's/Blitzlampen verringert. Mit dem erfindungsgemäßen Wärmeverteiler wird eine effektive Möglichkeit eröffnet, die Abwärme der Hindernisbefeuerung abzuleiten. Dabei kann der Wärmeverteiler zudem als Reflektor und/oder Lampenkörper dienen.
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Zudem besteht eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Wärmeverteilers aus zwei kegelförmig gewickelten Helicen (Spiralen), deren Grundflächen in einer Ebene liegen. Dieser Wärmeverteiler wird aus einem Blech gefertigt, in das geometrische, z. B. zwei spiralförmige, Schnitte eingebracht werden. Die Zentren der so hergestellten Spiralen werden in entgegengesetzter Richtung aus der Ebene des Bleches herausgezogen. Befindet sich dieser Wärmeübertrager zwischen zwei mit einem Latentspeichermaterial gefüllten Halbkugeln, kann Wärmeenergie über das Blech und die Helicen schnell und gleichmäßig im Kugelvolumen verteilt werden.
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Darüber hinaus ist vorgesehen, den Wärmeverteiler zu verwenden, um die Wärme am Kondensationsende von Heat-Pipes, die beispielsweise in PC's verbaut sind, abzuführen. Zudem ist denkbar, den Wärmeverteiler als Verdampfer oder Kondensator zu verwenden.
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Der erfindungsgemäße Wärmeverteiler ermöglicht zudem die Konstruktion neuartiger Wärmetauscher (beispielsweise für den Einsatz im Automobilbau), die einen höheren Wirkungsgrad und in Folge dessen kleiner gebaut werden können.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von acht Ausführungsbeispielen und den 1 bis 10 veranschaulicht; hierbei zeigen im Schnitt:
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1: eine erste Ausgestaltung eines Wärmeverteilers für die Verwendung in einer Fußbodenheizung,
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2: eine zweite Ausgestaltung eines Wärmeverteilers für die Verwendung in einer Fußbodenheizung,
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3: eine Ausgestaltung eines Wärmeverteilers für eine Fußbodenheizung zum Aufklipsen,
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4: einen aus Blechen aufgebauten Wärmeverteiler,
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5: einen zylindrischen Wärmeverteiler zur Verwendung in einem Wärmespeicher,
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6: einen Wärmeverteiler für eine Hindernisbefeuerung,
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7: eine Anordnung quaderförmiger Wärmeverteiler zur Verwendung in einem Wärmespeicher,
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8: eine aus zwei Halbkugeln zusammengesetzte, mit PCM gefüllte Kugel, mit einem Wärmeverteiler in ihrem Inneren in Schnittdarstellung,
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9: eine aus zwei Halbkugeln zusammengesetzte, mit PCM gefüllte Kugel, mit einem Wärmeverteiler in ihrem Inneren in Seitenansicht,
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10: einen aus trichterförmigen Hohlkörpern aufgebauten Wärmeverteiler.
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Der Wärmeverteiler gemäß 1 besteht aus dem Grundköper 1, der ein Rohr mit rundem Querschnitt ist und von einem Wärmeträgermedium durchströmt wird. An dem Grundkörper sind oberhalb der Grundkörperlängsachse fünf Rippen 2 befestigt. Alle Rippen 2 verfügen über einen Rippenstamm 3 und mehrere Rippenäste 4. Ein Teil der Rippenäste 4 ist in Rippenzweige 5 aufgespaltet. Der horizontal verlaufende Rippenstamm 3 ist im Vergleich zu den anderen Rippenstämmen 3 sehr dick ausgeführt, um die Wärme aus dem Wärmeträgermedium schnell in die Breite zu verteilen. Die Rippenäste 4 sind dünner gehalten, da sie einen geringeren Wärmestrom führen müssen als die Rippenstämme 3. Gleiches gilt für die Rippenzweige 5 im Vergleich zu den Rippenästen 4.
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Der Wärmeverteiler gemäß 2 ist prinzipiell genauso aufgebaut wie der Wärmeverteiler gemäß 1, jedoch sind die Rippenäste 4 und Rippenzweige 5 an den Enden der Rippen 2 so orientiert, dass sie alle in einer Ebene liegen, die parallel zum Fußboden ist. Dieser Wärmeverteiler zeichnet sich durch eine besonders großflächige Verteilung der Wärme unmittelbar unterhalb der Fußbodenoberfläche aus.
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In 3 wird ein Wärmeverteiler gezeigt, der ähnlich aufgebaut ist, wie der Wärmeverteiler aus 1. Der Grundkörper 1 ist hier jedoch kein geschlossenes Rohr, sondern eine Schiene mit rundem Querschnitt. Die Schiene (Grundkörper 1) lässt sich auf das mit einem Wärmeträgerfluid durchströmte Rohr 6 aufklipsen.
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Einen aus insgesamt fünf Blechen 7 bis 11 bestehenden Wärmeverteiler zeigt 4. Um zu veranschaulichen, wie die Bleche 7 bis 11 verlaufen, ist zwischen diesen ein Spalt dargestellt, der beim eigentlichen Produkt nicht vorhanden ist, da die Bleche 7 bis 11 materialschlüssig miteinander verbunden sind. Die Bleche 7 und 8, die Bleche 9 und 10 und die Bleche 11 und 9 bilden jeweils einen Rippenast 4. Von den Blechen 10 und 11, sowie den Blechen 7 bis 10 und 7, 8, 9 und 11 wird jeweils ein Rippenstamm 3 gebildet. Die Bleche 7 und 8 liegen unterhalb des Rohres 6 an diesem an; oberhalb des Rohres 6 verlaufen die Bleche 9 bis 11. Die Bleche 7 bis 11 sind so gebogen, dass ein Großteil der Wärme des im Rohr 6 fließenden Wärmeträgermediums zunächst horizontal und anschließend vertikal verteilt wird.
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Der zylindrische Wärmeverteiler zur Verwendung in einem Wärmespeicher gemäß 5 besteht aus dem von einem Wärmeträgermedium durchströmbaren Grundkörper 1, an dem sternförmig acht Rippen 2 angeordnet sind. Jede der Rippen 2 besteht aus einem massiven Rippenstamm 3, der sich in zwei dünnere Rippenäste 4 gabelt; die Rippenäste 4 gabeln sich wiederum in jeweils zwei filigrane Rippenzweige 5.
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Der in 6 dargestellte Wärmeverteiler für eine Hindernisbefeuerung umgibt eine Leuchtdiode (LED) 12. Auf der Rückwärtigen Seite der LED besteht der Wärmeverteiler aus zwei Rippenstämmen 3, die sich jeweils in einen Rippenast 4 und drei Rippenzweige 5 gabeln.
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Mehrere nebeneinander angeordnete Wärmeverteiler (ähnlich zu dem in 5 dargestelltem Wärmeverteiler) mit rechteckigem Querschnitt (7) bilden ein dichtes Netz aus Rippenstämmen 3, -ästen 4 und -zweigen 5. Somit lassen sich auch große Volumina gleichmäßig temperieren.
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8 und 9 zeigen eine mit einem PCM gefüllte Hohlkugel, in derem Inneren sich ein erfindungsgemäßer Wärmeverteiler befindet. Die Hohlkugel ist aus zwei Halbkugelschalen zusammengesetzt. Zwischen den Halbkugelschalen ist der Wärmeverteiler angeordnet. Über die Rippenstämme 3 und die Rippenzweige 4 wird Wärme in das Innere der Kugel geleitet und über die Rippenzweige 5 gleichmäßig im PCM verteilt.
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Der in 10 gezeigte Wärmeverteiler hat eine zylindrische Form. Kernstück dieses Wärmeverteilers der vom dem Heizmedium durchflossene rohrförmige Grundkörper 1, an dessen Mantelfläche in einer ersten Lage eine Vielzahl bündig aneinander liegende, trichterförmige Hohlkörper angeordnet sind, welche eine Vielzahl von Rippenstämmen 3 darstellen. In der die erste Lage umgebenden zweiten Lage sind ebenfalls eine Vielzahl von trichterförmigen Hohlkörpern angeordnet, welche die Rippenäste 4 sind. Die Hohlkörper der zweiten Lage sind zu den Hohlkörpern der ersten (inneren) Lage in axialer Richtung und in Umfangsrichtung versetzt, wodurch sich die Wände der Hohlkörper der ersten und zweiten Lage schneiden. Eine dritte Lage trichterförmiger Hohlkörper bildet die Rippenzweige 5. Diese Hohlkörper sind auch wieder versetzt zu den Hohlkörpern der darunter befindlichen Lage angeordnet. Durch die versetzte Anordnung der Hohlkörper kann sich eine Konvektionsströmung zwischen den Hohlkörpern ausbilden, wodurch die gleichmäßige Verteilung der Wärme unterstützt wird. Die Konvektionsströmung lässt sich darüber hinaus durch Durchbrüche in den Wandungen der Hohlkörper erhöhen. Durch unterschiedlich Wandstärken der Hohlkörper wird der Wärmestrom zusätzlich verbessert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Grundkörper
- 2
- Rippe
- 3
- Rippenstamm
- 4
- Rippenast
- 5
- Rippenzweig
- 6
- Rohr
- 7
- Blech
- 8
- Blech
- 9
- Blech
- 10
- Blech
- 11
- Blech
- 12
- Leuchtdiode
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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