DE102014007614A1

DE102014007614A1 - Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers und thermischer Sonnenkollektor mit einem derart hergestellten Wärmetauscher

Info

Publication number: DE102014007614A1
Application number: DE102014007614.8A
Authority: DE
Inventors: Oliver Motel; Wilhelm Lappe
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2014-05-26
Filing date: 2014-05-26
Publication date: 2015-11-26

Abstract

Wesentlicher Inhalt der Erfindung ist ein ein Wärmeträgermedium führendes Rohrleitungssystem (6) mit zumindest einem Rohr (2), welches zumindest ein mit demselben fest verbundenes und als Absorberblech fungierendes plattenförmiges Oberblech (1) sowie zumindest ein mit demselben fest verbundenes Unterblech (3) aufweist. Rohrleitungssystem (6), Oberblech (1) und Unterblech (2) sind durch Kaltpressschweißen zu einem Wärmetauscher (4) gefügt, der insbesondere in Sonnenkollektoren (5) Verwendung findet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines platten- oder streifenförmigen Wärmetauschers für einen thermischen Sonnenkollektor, insbesondere Flachkollektor, nach Patentanspruch 1 der Erfindung. Gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 7 der Erfindung betrifft dieselbe ferner einen thermischen Sonnenkollektor, insbesondere Flachkollektor, mit zumindest einem derart hergestellten Wärmetauscher.
Aus der EP 2 280 792 B1 ist ein Verfahren zum kontinuierlichen Fügen zumindest eines ersten, plattenförmigen Werkstücks mit einem zweiten, rohrförmigen Werkstück aus metallischen Werkstoffen zur Ausbildung eines Platten- oder Streifenwärmetauschers, auch als Absorber bezeichnet, für einen thermischen Sonnenkollektor bekannt, wobei die Werkstücke aufeinandergelegt in einen Walzspalt zwischen zwei achsparallel gegenüberliegend angeordneten, gegenläufig rotierbaren Walzenrädern in Form eines Stempelrades und eines Matrizenrades, während wenigstens eines der Walzenräder senkrecht zur Walzrichtung und zu den Werkstücken druckbeaufschlagbar ist, eingeführt und entlang einer Linie unter einem definierten Druck „P” in Fügeintervallen durch Kaltpressschweißen gefügt werden. Ein derartiger Wärmetauscher weist zum einen ein Rohrleitungssystem mit zumindest einem ein Wärmeträgermedium führenden Rohr, welches geradlinig oder gekrümmt, beispielsweise mäanderförmig gekrümmt ausgebildet ist und/oder ein durch eine Mehrzahl von Rohren gebildetes Rohrleitungssystem (Rohrregister) auf. Zum anderen weist der Wärmetauscher zumindest ein mit besagtem/n Rohr/en fest verbundenes Blech auf. Das Rohrleitungssystem und das zumindest eine Blech können aus einem unterschiedlichen metallenen Werkstoff bestehen. Der Fügeprozess ist im Wesentlichen durch einen einen Kaltpressschweißvorgang bewirkenden linearen Roll-Fügeprozess gekennzeichnet.
Thermische Sonnenkollektoren mit zumindest einem platten- oder streifenförmigen Wärmetauscher sind seit geraumer Zeit in den unterschiedlichsten Ausführungsvarianten bekannt. Im Wesentlichen weisen diese ein den zumindest einen Wärmetauscher aufnehmendes Wärmetauscher-Gehäuse mit einem Gehäuseboden und Seitenwänden sowie mit wenigstens einer transparenten Abdeckung aus insbesondere Glas auf. So beschreibt die DE 10 2009 049 481 A1 einen Sonnenkollektor mit einem in einem Wärmetauscher-Gehäuse angeordneten Wärmetauscher, der seinerseits durch ein Rohrleitungssystem sowie ein an demselben angebrachtes oberes Blech gebildet ist, welches Blech als sogenanntes Absorberblech fungiert. Zwischen dem Wärmetauscher und dem Gehäuseboden ist eine Isolierschicht eingebettet, welche Wärmeverluste zur Unterseite des Sonnenkollektors minimieren soll, jedoch infolge dessen eines erhöhten Bauraumes bedarf. Herkömmlich besteht besagte Isolierschicht beispielsweise aus einer relativ dicken Mineralwolleschicht. Die DE 20 2005 007 474 U1 beschreibt einen Sonnenkollektor mit einem im Wärmetauscher-Gehäuse angeordneten Wärmetauscher, wobei zur Vermeidung von Überhitzung und Gewährleistung der Betriebssicherheit des Sonnenkollektors vorgeschlagen wird, zwischen der Abdeckung und dem Wärmetauscher eine am Gehäuse montierte und in ihrem Transmissionsgrad für das Sonnenlicht reversibel veränderbare Folie anzuordnen. Überdies wird vorgeschlagen, zwischen dem Wärmetauscher und dem Gehäuseboden eine wärmestrahlungsreflektierende weitere am Gehäuse montierte Folie anzuordnen, die zumindest zum Teil aus Aluminium besteht. Aus der DE 20 2006 016 294 U1 ist ein Sonnenkollektor mit einem Wärmetauscher respektive Absorber bekannt, der seinerseits aus einem Rohrleitungssystem sowie einem oberen, als Absorberblech fungierenden und am Rohrleitungssystem befestigten sowie einem unteren, am Rohrleitungssystem befestigten Blech besteht. Die Bleche sind vorliegend durch Verlöten in einem Lötofen mit dem Rohrleitungssystem verbunden. Schließlich ist aus der DE 10 2012 010 725 A1 ein Sonnenkollektor mit einem Wärmetauscher-Gehäuse mit einem Abdeckglas bekannt, welches Wärmetauscher-Gehäuse wannenförmige ausgebildet ist. Das wannenförmige Gehäuse ist durch einen Verbund aus zwei Blechen und einer dazwischen angeordneten Isolierung gebildet.
Ausgehend vom eingangs beschriebenen Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein einfach und kostengünstig zu bewerkstelligendes alternatives Verfahren zur Herstellung eines hinsichtlich Leistung, Dauerhaftigkeit und Wirtschaftlichkeit verbesserten platten- oder streifenförmigen Wärmetauschers anzugeben. Des Weiteren ist es Aufgabe der Erfindung, einen thermischen Sonnenkollektor, insbesondere Flachkollektor, mit zumindest einem derart hergestellten Wärmetauscher bereitzustellen.
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen der nebengeordneten Patentansprüche 1 und 7, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar sind.
Demnach wird die gestellte Aufgabe zunächst durch ein Verfahren zur Herstellung eines platten- oder streifenförmigen Wärmetauschers für einen thermischen Sonnenkollektor, insbesondere Flachkollektor, gelöst, welches sich durch folgende Schritte auszeichnet:

a) Bereitstellung eines Rohrleitungssystems mit zumindest einem Rohr aus Metall,
b) Bereitstellung zumindest eines als Absorberblech ausgebildeten plattenförmigen Oberbleches,
c) Bereitstellung zumindest eines plattenförmigen Unterbleches,
d) Zusammenpressen des Rohrleitungssystems derart, dass ein erster und ein zweiter, plan aufeinanderliegender Rohrwandungsabschnitt des zumindest einen Rohres des Rohrleitungssystems ausgebildet werden,
e) Positionierung des zumindest einen Oberbleches auf dem einen, ersten Rohrwandungsabschnitt des zumindest einen zusammengepressten Rohres des Rohrleitungssystems und Positionierung des zumindest einen Unterbleches auf dem anderen, zweiten, dem Oberblech gegenüberliegenden Rohrwandungsabschnitt des zumindest einen Rohres des Rohrleitungssystems,
f) Einführen des mit dem zumindest einen Ober- und Unterblech komplettierten Rohrleitungssystems in einen Walzspalt einer einen Roll-Fügeprozess bewirkenden Walzvorrichtung, welche Walzvorrichtung zwei achsparallel gegenüberliegend angeordnete und gegenläufig rotierenden Walzenräder aufweist, sowie gleichzeitiges Fügen des Oberbleches mit dem unmittelbar benachbart angeordneten ersten, plan ausgebildeten Rohrwandungsabschnitt und des Unterbleches mit dem unmittelbar benachbart angeordneten zweiten, plan ausgebildeten Rohrwandungsabschnitt entlang je einer zu bildenden Fügenaht durch Kaltpressschweißen, und
g) Umformen des zumindest einen Rohres des Rohrleitungssystems derart, dass die aufeinanderliegenden und mit dem Ober- oder Unterblech gefügten Rohrwandungsabschnitte einen langgestreckten Hohlraum ausbildend, voneinander beabstandet werden.

Infolge dieses Verfahrens, welches sich als Roll-Fügeprozess beschreiben lässt, ist unter Vermeidung von erhöhtem Wärmeeintrag, der insbesondere bei Schweiß- und Lötverfahren festzustellen ist und mit nachteiligem Verzug der zu fügenden Werkstücke einhergeht, mit geringem maschinentechnischem Aufwand schnell und kostengünstig in einem einzigen Fügeschritt je eine Fügenaht beidseitig des Rohrleitungssystems zwischen demselben und dem Unter- bzw. Oberblech realisierbar, die hohen Ansprüchen im Hinblick auf Festigkeit und Dauerhaftigkeit sowie Anmutung des Wärmetauschers gerecht wird. Es sind somit vorliegend vier in den Fügeprozess involvierte Blechebenen zu berücksichtigen, wobei in einem einzigen Fügeschritt, d. h., gleichzeitig das Oberblech mit dem unmittelbar benachbarten, ersten Rohrwandungsabschnitt und das Unterblech mit dem unmittelbar benachbarten, zweiten Rohrwandungsabschnitt des zumindest einen Rohres des Rohrleitungssystems gefügt wird. Durch das symmetrische Profil des Wärmetauschers werden Verformungen bei der Herstellung desselben nahezu vermieden. Eine Fügeverbindung der Rohrwandungsabschnitte untereinander ist nicht zu verzeichnen. Insoweit ist bevorzugt vorgesehen, dass die zu verbindenden Kontaktflächen eine Aktivierung erfahren, beispielsweise durch Schleifen, indem beispielsweise vorhandene Oxydschichten beseitigt werden.
In Fortbildung des Verfahrens ist vorgesehen, dass im Hinblick auf den Schritt e) das Unterblech vorab eine Vorformung derart erfährt, dass in dasselbe entlang der zu bildenden Fügenaht eine Vorspannung im Blech erzeugende napfförmige oder ungerichtete Prägung eingeformt wird. Hierdurch ist vorteilhaft bewirkt, dass das Unterblech während des infolge besagten Kaltpressschweiß-Verfahrens sich ergebenden Materialeinzugs, verursacht durch eine verfahrensbedingte rinnenförmige Ausbildung der Matrize der Walzvorrichtung, in der Lage ist, besagten Materialeinzug rissfrei auszugleichen. Die hierbei entstehende Spannung im Unterblech sorgt für eine exakte, planebene Lage desselben unter teilweisem Glattzug der vorab erfolgten Prägung und somit für einen gleichbleibenden Querschnitt des Luftraumes zwischen Ober- und Unterblech nach dem erfolgten Öffnen des Rohrquerschnitts gemäß Schritt g). Nachteilige Berührungen zwischen Ober- und Unterblech werden wirkungsvoll vermieden.
Wie die Erfindung weiter vorsieht, wird im Hinblick auf den Schritt f) während des Roll-Fügeprozesses das zumindest eine Rohr des Rohrleitungssystems mit einer definierten Zugkraft „F_Z” beaufschlagt, wodurch insbesondere der Fügeprozess zwischen dem Unterblech und dem zugeordneten Rohrwandungsabschnitt vorteilhaft beeinflusst wird. Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass das zumindest eine Rohr des Rohrleitungssystems mit einer derartigen Zugkraft „F_Z” beaufschlagt wird, dass zumindest im unmittelbaren Fügebereich eine longitudinale Relativbewegung zwischen einerseits dem Ober- und Unterblech und andererseits dem zumindest einen Rohr zu verzeichnen ist.
Weiter vorteilhaft ist vorgesehen, dass im Hinblick auf den Schritt f) das Ober- und/oder das Unterblech mit dem jeweils zugeordneten Rohrwandungsabschnitt in Fügeintervallen durch Kaltpressschweißen gefügt wird. Dabei werden Fügenähte mit abwechselnd gefügten und ungefügten Bereichen ausgebildet, woraus eine hohe Grundsteifigkeit des erzeugten Werkstückverbundes resultiert. Hierzu finden bevorzugt ein Walzenrad als Stempelrad mit vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Stempelrades verteilt angeordneten Erhebungen nach Art eines Stachelrades und ein achsparallel gegenüberliegend angeordnetes Walzenrad als Matrizenrad mit einer zu den Erhebungen des Stempelrades korrespondierenden Umfangsnut oder mit zu den Erhebungen des Stempelrades korrespondierenden Vertiefungen Verwendung. Demgegenüber können auch Fügenähte mit abwechselnd gegengerichteten gefügten Bereichen ausgebildet werden, wodurch eine weiter erhöhte Grundsteifigkeit des erzeugten Werkstückverbundes erzielbar ist. Im Hinblick darauf können zwei Walzenräder verwendet werden, die sowohl als Stempelrad als auch als Matrizenrad fungieren, indem jedes Walzenrad über vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang desselben verteilte Erhebungen nach Art eines Stachelrades und dazwischen angeordnete und zu den Erhebungen des anderen Walzenrades korrespondierende Umfangsnut-Abschnitte oder Vertiefungen verfügt. Zumindest eines der Walzenräder ist aktiv drehangetrieben, so dass während des Fügeprozesses eine Bewegung der aufeinanderliegenden und zu fügenden Werkstücke durch den Walzspalt hindurch bewirkt wird.
Vorteilhaft werden im Hinblick auf den Schritt g) die Rohrwandungsabschnitte nach einem IHU-Verfahren (IHU = Innen-Hochdruck-Umformung) voneinander beabstandet, wodurch ein homogener oder weitestgehend homogener Querschnitt innerhalb des zumindest einen Rohres zur Führung eines Wärmeträgermediums sowie ein homogener oder weitestgehend homogener Querschnitt zwischen Ober- und Unterblech zur Ausbildung eines gleichbleibenden Luftspalts realisiert bzw. realisierbar ist. Selbstverständlich können durch diese Maßnahme auch leistungssteigernde Profilierungen im Rohrquerschnitt mit daraus resultierender turbulenter Strömung des Wärmeträgermediums ausgebildet werden, welches demgemäß durch die Erfindung mit erfasst ist.
Der thermischer Sonnenkollektor, insbesondere Flachkollektor, mit zumindest einem platten- oder streifenförmigen Wärmetauscher, der in einem Wärmetauscher-Gehäuse angeordnet ist, wobei das Wärmetauscher-Gehäuse einen Gehäuseboden, Seitenwände sowie wenigstens eine transparente Abdeckung aufweist, und wobei der zumindest eine Wärmetauscher ein ein Wärmeträgermedium führendes Rohrleitungssystem mit zumindest einem Rohr aus Metall und zumindest ein zwischen dem Rohrleitungssystem und der Abdeckung angeordnetes und mit dem Rohrleitungssystem fest verbundenes und als Absorberblech fungierendes plattenförmiges Oberblech aufweist, zeichnet sich in Lösung der gestellten Aufgabe dadurch aus, dass dem Wärmetauscher zumindest ein zwischen dem Rohrleitungssystem und dem Gehäuseboden angeordnetes und mit dem Rohrleitungssystem fest verbundenes und parallel oder weitestgehend parallel zum Oberblech angeordnetes plattenförmiges Unterblech zugeordnet ist, wobei sowohl Oberblech als auch Unterblech durch Kaltpressschweißen mit dem Rohrleitungssystem fest verbunden sind. Ein Sonnenkollektor mit einem derart ausgebildeten Wärmetauscher erfüllt besonders wirkungsvoll die hohen Ansprüche im Hinblick auf Festigkeit und Dauerhaftigkeit sowie Anmutung desselben.
Besonders vorteilhaft sind Ober- und Unterblech in einem Fügeschritt mit dem Rohrleitungssystem verbunden, woraus ein ebenmäßiger Wärmetauscher resultiert und nachteilige Verzüge der Bleche vermieden sind. Weiter vorteilhaft ist der Wärmetauscher derart im Wärmetauscher-Gehäuse angeordnet und sind Ober- und Unterblech derart zueinander beabstandet angeordnet, dass zwischen der Abdeckung und dem Oberblech ein Konvektion verhindernder oder zumindest maßgeblich mindernder erster Luftspalt mit überwiegend ruhender Luft, zwischen dem Ober- und dem Unterblech ein zweiter derartiger Luftspalt mit überwiegend ruhender Luft und zwischen dem Unterblech und dem Gehäuseboden ein dritter derartiger Luftspalt mit überwiegend ruhender Luft ausgebildet sind. Infolge der besonderen Ebenmäßigkeit des Wärmetauschers weisen die genannten Luftspalte vorteilhafterweise über die Breiten- und Längenerstreckung des Sonnenkollektors einen homogenen Querschnitt auf, der sich wiederum vorteilhaft auf die Gesamtleistung des Sonnenkollektors auswirkt.
In umfangreichen Versuchen zum Anmeldungsgegenstand wurde des Weiteren gefunden, dass die Spaltbreite „s₁” des ersten Luftspaltes 10 bis 25 mm, vorzugsweise 15 bis 20 mm, die Spaltbreite „s₂” des zweiten Luftspaltes 5 bis 10 mm, vorzugsweise 6 bis 8 mm und die Spaltbreite „s₃” des dritten Luftspaltes 15 bis 35 mm, vorzugsweise 20 bis 30 mm betragen sollte, um die Leistung des Sonnenkollektors zu optimieren.
Um die Leistung des Sonnenkollektors noch weiter zu optimieren, ist zumindest ein weiteres, den dritten Luftspalt teilendes und parallel oder weitestgehend parallel zum Unterblech angeordnetes plattenförmiges Blech vorgesehen. Eine Isolierschicht nach dem Stand der Technik aus beispielsweise einer relativ dicken Mineralwolleschicht ist durch diese Maßnahme entbehrlich. Weiter vorteilhaft ist vorgesehen, dass das zumindest eine weitere Blech mit dem Wärmetauscher eine Baueinheit bildet und mit demselben fest verbunden ist. Hierdurch sind die Montagekosten reduziert. Überdies trägt das zumindest eine weitere Blech zur Stabilisierung der Struktur des Wärmetauschers bei. Wärmebedingte Verzüge während des Betriebs des Wärmetauschers sind besonders wirkungsvoll vermieden. Das zumindest eine weitere Blech dient demgemäß nicht nur einer noch weiter verbesserten Isolierung, sondern fungiert gleichzeitig als Verstärkungselement für den Wäremetauscher.
Wie die Erfindung noch vorsieht, sind die Luftschichten in den von den Luftspalten gebildeten Bauräumen des Sonnenkollektors zwar nicht hermetisch voneinander abgeschlossen, jedoch sind deren daraus resultierende Verbindungsspalte derart eng bemessen, dass hinsichtlich Konvektion ein Wärmeaustausch über die Luft vermieden, zumindest jedoch maßgeblich minimiert ist. Bevorzugt weisen dabei besagte Verbindungsspalte eine Spaltbreite „s₄” von 1 bis 10 mm oder auch weniger auf.
Wie die Erfindung schließlich noch vorsieht, ist/sind das Unterblech und/oder das zumindest eine weitere Blech wenigstens sonnenseitig hochglänzend ausgebildet, wodurch die Emission von Wärmestrahlung in den Rückraum des Sonnenkollektors vermieden zumindest jedoch wirkungsvoll reduziert ist.
Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen schematisch dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Sie ist jedoch nicht auf dieses beschränkt, sondern erfasst alle durch die Patentansprüche definierten Ausgestaltungen. Es zeigen:
1 eine Vorrichtung zur Herstellung eines platten- oder streifenförmigen Wärmetauschers durch kontinuierliches Fügen dreier langgestreckter, dünnwandiger Werkstücke, mit zwei Walzenrädern in der Draufsicht in Walzrichtung gesehen (teilweise geschnitten dargestellt – Schnitt II-II nach 2),
2 den Schnitt I-I nach 1,
3 ein mittels der Vorrichtung nach 1 erzeugtes Probestück aus besagten drei untereinander verbundenen Werkstücken in einer perspektivischen Aufsicht,
4 ein Walzenrad der Vorrichtung nach 1 in Form eines Matrizenrades in einer Einzeldarstellung,
5 die Einzelheit „X” nach 4 gemäß einer ersten Ausführungsform,
6 die Einzelheit „X” nach 4 gemäß einer weiteren Ausführungsform,
7 eine Schnittansicht eines mittels der Vorrichtung nach 1 erzeugten Werkstückverbundes zum Zeitpunkt unmittelbar nach dem Fügen der drei beteiligten Werkstücke,
8 der Werkstückverbund nach 7 im Anschluss an einen nachfolgenden Umformvorgang,
9 den Schnitt III-III nach 8,
10 ein erfindungsgemäß ausgebildeter thermischer Sonnenkollektor in einer Schnittansicht,
11 eine Detaildarstellung des Sonnenkollektors nach 10, und
12 den Schnitt IV-IV nach 11.
1 zeigt in Anlehnung an den Stand der Technik ( EP 2 280 792 B1 ) eine Vorrichtung zum kontinuierlichen Fügen vorliegend dreier langgestreckter, dünnwandiger Werkstücke 1, 2, 3 aus metallischen Werkstoffen, wobei ein erstes, plattenförmiges Werkstück 1, ein zweites, rohrförmiges Werkstück 2 und ein drittes, wiederum plattenförmiges Werkstück 3 vorgesehen sind (vgl. insbes. 3, 7 bis 9). Die besagten Werkstücke 1, 2, 3 sollen zu einem platten- oder streifenförmigen Wärmetauscher 4 gefügt werden, der seinerseits Bestandteil eines thermischen Sonnenkollektors 5 ist und der Umwandlung energiereicher Bestandteile des Sonnenlichtes in Wärme dient, die mittels eines vorzugsweise flüssigen Wärmeträgermediums zur Weiternutzung dem besagten Wärmetauscher 4 entnommen wird. (vgl. insbes. 10–12).
Das erste Werkstück 1 bildet dabei gemäß den 10 bis 12 ein sogenanntes Oberblech 1 aus, welches als Absorberblech des Sonnenkollektors 5 fungiert. Das zweite Werkstück 2 ist durch ein Rohr 2 eines Rohrleitungssystems 6 des Sonnenkollektors 5 gebildet, in welchem besagtes Wärmeträgermedium zirkuliert. Das dritte Werkstück 3 bildet ein sogenanntes Unterblech 3 des Sonnenkollektors 5 aus. Das Rohr 2 des Rohrleitungssystems 6 ist demgemäß zwischen dem Ober- und Unterblech 1, 3 angeordnet. Nachfolgend werden somit jeweils die Begriffe erstes Werkstück 1 und Oberblech 1, zweites Werkstück 2 und Rohr 2 sowie drittes Werkstück 3 und Unterblech 3 gleichbedeutend verwendet und demgemäß mit dem gleichen Bezugszeichen versehen.
Das Rohrleitungssystem 6 des Wärmetauschers 4 besteht aus zumindest einem das Trägermedium führenden Rohr 2, welches geradlinig oder gekrümmt, beispielsweise mäanderförmig gekrümmt, ausgebildet sein kann. Demgegenüber kann das Rohrleitungssystem 6 auch nach Art eines Rohrregisters durch eine Mehrzahl von bevorzugt achsparallel zueinander angeordneten Rohren 2 gebildet sein, deren Enden mittels Sammlerrohre 7 (12) untereinander verbunden sind.
Die besagte Vorrichtung zum Fügen weist gemäß den 1 und 2 im Wesentlichen zwei in einem nicht näher dargestellten, jedoch an sich bekannten Stützrahmen achsparallel gegenüberliegend angeordnete und einen Walzspalt 8 ausbildende sowie gegenläufig rotierbare Walzenräder 9, 10 auf. Zumindest eines der Walzenräder 9, 10 kann dabei aktiv drehangetrieben sein, wodurch eine kontinuierliche Vorschubbewegung der zu verbindenden Werkstücke 1, 2, 3 durch den gebildeten Walzspalt 8 hindurch bewirkbar ist.
Wenigstens eines der beiden Walzenräder 9, 10, vorliegend das gemäß der Zeichnungsfigur oben liegende Walzenrad 9 ist senkrecht zur Walzrichtung 11 und zu den hier nicht zeichnerisch dargestellten Werkstücken 1, 2, 3 mit einem Druck „P” beaufschlagbar, der es gestattet, besagte Werkstücke 1, 2, 3 entlang einer Linie 12 durch Kaltpressschweißen zu fügen (2, 3).
Durch Kaltpressschweißen werden die drei Fügepartner bzw. Werkstücke 1, 2, 3 so aufeinander gepresst, dass es zu einer großen Dehnung bzw. zu einem Fließen der beim Schweißvorgang involvierten metallenen Materialien respektive Werkstoffe kommt. Das durch besagte Dehnung hervorgerufene Aufbrechen der auf den Oberflächen der metallenen Werkstücke 1, 2, 3 befindlichen Oxydschichten sorgt in Verbindung mit dem Pressvorgang für die notwendige Annäherung der Fügepartner bis in den Bereich der Metallgitterstrukturen und somit zu der gewünschten Verbindung. Hierbei kann eine vorab durchgeführte Aktivierung Werkstückoberflächen durch Schleifen o. ä. sowie eine zusätzliche Erwärmung der Materialien sich vorteilhaft auf den Fügevorgang auswirken.
Wie insbesondere der 2 weiter zu entnehmen ist, ist das besagte oben liegende Walzenrad 9 als Stempelrad mit vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang desselben verteilt angeordneten Erhebungen 13 nach Art eines sogenannten Stachelrades ausgebildet. Das zweite achsparallel darunter angeordnete Walzenrad 10 ist als Matrizenrad ausgebildet und verfügt seinerseits über eine zu den Erhebungen 13 des oben liegenden Walzenrades 9 korrespondierende Umfangsnut 14 (1, 4 bis 6).
Vermittels einer derartigen Walzenräder-Paarung sind unter einem definierten Druck „P” in Fügeintervallen durch Kaltpressschweißen zwei gegenüberliegende respektive beidseitig des Rohres 1 des Rohrleitungssystems 6 angeordnete Fügenähte 15, 16 mit abwechselnd gefügten Bereichen 17 und ungefügten Bereichen 18 ausbildbar (vgl. insbes. 3, 7, 8). Besagter erforderlicher Druck „P” zum Kaltpressschweißen ist in Anhängigkeit von den zu fügenden Werkstoffen und Wandungsdicken der Werkstücke 1, 2, 3 empirisch ermittelbar und kann in Tabellenform und/oder in einer geeigneten Software zur Ansteuerung des druckbeaufschlagbaren Walzenrades 9 abgelegt werden.
Für den Fachmann leicht nachvollziehbar kann es demgegenüber auch angezeigt sein, das Matrizenrad respektive Walzenrad 10 derart auszubilden, dass dasselbe über zu den Erhebungen 13 des Stempelrades bzw. Walzenrades 9 korrespondierende Vertiefungen verfügt, wodurch sich der Umformprozess vorteilhaft beeinflussen lässt (nicht näher dargestellt). Zum Vorteil kann es auch gereichen, wenn beide Walzenräder 9, 10 so ausgebildet sind, dass dieselben sowohl als Stempelrad als auch als Matrizenrad fungieren (nicht zeichnerisch dargestellt). Insoweit verfügen diese dann über vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang derselben verteilt angeordnete Erhebungen 13 nach Art eines Stachelrades und dazwischen angeordnete und zu den Erhebungen 13 des jeweils anderen Walzenrades 10, 9 korrespondierende, hier nicht näher dargestellte Umfangsnut-Abschnitte oder Vertiefungen, wodurch während des eigentlichen kontinuierlichen Fügeprozesses unter besagtem definierten Druck „P” in Fügeintervallen durch Kaltpressschweißen die beiden Fügenähte 15, 16 mit abwechselnd gegengerichteten gefügten Bereichen 17, ggf. noch unterbrochen durch ungefügte Bereiche 18, ausbildbar sind (nicht zeichnerisch dargestellt).
Die Erhebungen 13 und die dazu korrespondierende Umfangsnut 14 bzw. die dazu korrespondierenden Umfangsnut-Abschnitte oder Vertiefungen sind bevorzugt derart ausgebildet, dass in besagten Fügeintervallen gefügte Bereiche 17 mit einer napfförmigen Kontur entstehen (3, 7 bis 9). Derartige napfförmige Konturen können eine Breitenausdehnung aufweisen, die gleich, kleiner oder größer der Längsausdehnung derselben ist. Durch die Wahl der Abmaße besagter napfförmiger Konturen ist es gestattet, die gewünschte Längs- und/oder Quersteifigkeit des auszubildenden Werkstückverbundes in weiten Grenzen definiert einzustellen.
Gemäß den 1, 4 bis 6 setzt sich das Walzenrad 10 respektive Matrizenrad aus einem sogenannten Ambossring 10a, auf dem das Walzenrad 9 bzw. Stempelrad abwälzt, sowie aus seitlich desselben angeordneten Stützscheiben 10b, 10c, die gegebenenfalls mittels nicht näher dargestellter Distanzringe zum Ambossring 10a axial beabstandet gehalten werden, zusammen. Der Ambossring 10a ist im Durchmesser geringfügig kleiner als die Stützscheiben 10b, 10c ausgebildet, so dass es während des Fügens zu einem Tiefziehen der zu fügenden Werkstücke 1, 2, 3 mit besagter Napfbildung kommt.
Der Bereich in dem die Verbindungen (Fügenähte 15, 16) entstehen, ist somit aus der Blechebene des ersten Werkstücks 1 bzw. Oberbleches 1, des zweiten Werkstücks 2 bzw. Rohres 2, wobei hier zwei gegenüberliegende Rohrwandungsabschnitte 2a, 2b bzw. Blechebenen zu verzeichnen sind, sowie des dritten Werkstücks 3 bzw. Unterbleches 3 herausgehoben und wird hier verstemmt, bis bei Erreichen des erforderlichen Druckes „P” jeweils das Kaltverschweißen einsetzt.
Beim Verstemmen wird der Werkstoff zwischen den Werkzeugpartnern (Walzenräder 10, 11) verdrängt und weicht vorzugsweise seitlich aus. Infolge dieser Werkstoffbewegung kommt es zu einem sogenannten Rückfliesen des Werkstoffes entgegen der Werkzeugbewegung, welche durch eine besondere Ausbildung der Werkzeuge, insbesondere durch die Ausformung der Matrize definiert beeinflusst werden kann. So neigt die Variante gemäß 6 mit seitlichen Freistichen 19 am Ambossring 10a zu einem stärkeren Rückfließen des Werkstoffs als die Variante gemäß 5, welche auf derartige Freistiche 19 verzichtet.
Nachfolgend wird die Erfindung insbesondere anhand der 7 bis 9 verfahrensseitig näher betrachtet.
Es ist beabsichtigt, zur Herstellung des platten- oder streifenförmigen Wärmetauschers 4 zumindest ein erstes, plattenförmiges Werkstück 1 bzw. Oberblech 1 mit zumindest einem zweiten, rohrförmigen Werkstück 2 in Form eines Rohres 2 eines Rohrleitungssystems 6 und einem dritten, plattenförmigen Werkstück 3 in Form eines Unterbleches 3 kontinuierlich in bevorzugt Fügeintervallen durch Kaltpressschweißen zu fügen, wobei die zu fügenden Werkstücke 1, 2, 3 aus einem metallenen Werkstoff, beispielsweise aus Aluminium oder Kupfer bestehen. Der Fügeprozess ist, wie bereits oben dargetan, durch einen Kaltpressschweißung zwischen den Fügepartnern realisierenden linearen Roll-Fügeprozess gekennzeichnet.
Es versteht sich für den Fachmann von selbst, dass gesetzt den Fall, das ein plattenförmiges Werkstück 1 mit einer Mehrzahl von rohrförmigen Werkstücken 2 (z. B. Rohrregister) bestückt werden soll, die Vorrichtung zum kontinuierlichen Fügen eine Mehrzahl in Bewegungsrichtung der zu fügenden Werkstücke 1, 2, 3 gesehen nebeneinander angeordnete Walzenräder-Paarungen der oben beschriebenen Art zur gleichzeitigen, kontinuierlichen Erstellung einer Mehrzahl gegenüberliegend angeordneter Fügenähte 15, 16 durch Kaltpressschweißen aufweisen kann (nicht näher dargestellt).
Der Fügeprozess setzt jedoch eine Gestaltung des zweiten, rohrförmigen Werkstücks 2 bzw. Rohrs 2 in der Weise voraus, dass dasselbe zumindest im Bereich der auszubildenden Fügenähte 15, 16 derart umgeformt respektive zusammengepresst ist, dass zwei plan aufeinanderliegende Rohrwandungsabschnitte 2a, 2b ausgebildet werden.
Zweckmäßigerweise werden das Zusammenpressen des rohrförmigen Werkstücks 2 und der in Rede stehende Fügeprozess derart kombiniert, dass unmittelbar vor dem Fügen das rohrförmige Werkstück 2 vermittels an sich bekannter geeigneter Mittel zum Zusammenpressen, vorzugsweise mittels Walzenpressen, zusammengepresst und danach samt den plattenförmigen Werkstücken 1, 3 in den Walzspalt 8 eingeführt wird.
Für vorliegenden Anwendungsfall sind demgemäß vier in den Fügeprozess involvierte Blechebenen zu berücksichtigen, nämlich die Blechebene des ersten, plattenförmigen Werkstücks 1 bzw. Oberbleches 1, die beiden Blechebenen der aufeinanderliegenden Rohrwandungsabschnitte 2a, 2b und die Blechebene des dritten Werkstücks 3 bzw. Unterbleches 3.
Beabsichtigt ist im Wesentlichen, dass lediglich das Oberblech 1 mit dem benachbarten Rohrwandungsabschnitt 2a und das Unterblech 3 mit dem benachbarten Rohrwandungsabschnitt 2b eine Fügeverbindung durch Kaltpressschweißung eingehen. Die beiden Rohrwandungsabschnitte 2a, 2b sollen untereinander keine Fügeverbindung eingehen (7). Gesteuert wird ein derartig selektiver Kaltpressschweißvorgang im Wesentlichen durch den aufzubringenden Druck „P”, welcher, wie bereits oben ausgeführt, in Abhängigkeit von den zu fügenden Werkstoffen und Wandungsdicken der Werkstücke 1, 2, 3 empirisch ermittelbar ist, sowie durch eine Vorbehandlung der Oberflächen der zu fügenden Blechebenen, indem dieselben einer Reinigung durch Schleifen oder dgl. derart unterzogen werden, dass die vorhanden Oxydschicht bereits vorab aufgebrochen oder sogar beseitigt wird. Während des Fügeprozesses erfahren die an demselben beteiligten Blechebenen eine zur Kaltpressschweißung notwendige Umformung durch Ausbildung von napfförmigen Konturen.
In Abhängigkeit der oben beschriebenen besonderen Ausbildung der Vorrichtung zum kontinuierlichen Fügen, sind verschiedenartige Fügenähte 15, 16 ausbildbar. Vorliegend ist ein kontinuierlicher Wechsel aus gefügten und ungefügten Bereichen 17, 18 zu verzeichnen (vgl. 3 und 9), jedoch beschränkt sich die Erfindung nicht auf derartige Fügenähte 17, 18, sondern erfasst auch hier nicht näher gezeigte Fügenähte 17, 18 mit abwechselnd gegengerichteten, d. h., abwechseln nach unten und oben gerichteten gefügten Bereichen 17 napfförmiger Kontur, ggf. noch unterbrochen durch ungefügte Bereiche 18.
Um bei bestimmungsgemäßem Gebrauch des gebildeten Werkstückverbundes als Platten- oder Streifen-Wärmetauscher 4 einen ausreichenden Durchfluss des Wärmeträgermediums zu gewährleisten, ist es im Anschluss an den eigentlichen Fügeprozess erforderlich, das zweite, rohrförmige Werkstück 2 derart definiert umzuformen, dass die aufeinanderliegenden Rohrwandungsabschnitte 2a, 2b, einen langgestreckten Hohlraum ausbildend, voneinander beabstandet werden.
Hierzu wird bevorzugt das an sich bekannte Verfahren des Innen-Hochdruck-Umformens (IHU) angewendet, mit dem eine kontrollierte Aufweitung des für den eigentlichen Fügeprozess flach gepressten Rohres 2 hinsichtlich eines optimalen Rohrquerschnittes zur Bereitstellung möglichst großer Wärmeübertragungszonen bzw. eines möglichst großflächigen Kontaktes zwischen dem jeweiligen plattenförmigen Werkstück 1, 3 und dem rohrförmigen Werkstück 2 bzw. zwischen dem Unter- bzw. Oberblech 1, 3 und dem zugeordneten Rohrwandungsabschnitt 2a, 2b des Rohres 2 gestattet ist.
Im Wesentlichen wird beim Innen-Hochdruck-Umformen im Inneren des rohrförmigen Werkstücks 2 mittels eines druckbeaufschlagbaren Mediums, wie einem Fluid oder einem Gas, ein derartig hoher Druck aufgebaut, dass sich das ursprünglich zusammengepresste rohrförmige Werkstück 2 aufweitet. Vermittels Einspannung des rohrförmigen Werkstücks 2 kann der Grad der Aufweitung begrenzt werden, wodurch ein definierter Querschnitt realisierbar ist, der vorstehenden Anforderungen bzgl. möglichst großer Wärmeübertragungszonen gerecht wird (vgl. 8). In Versuchen haben sich rohrförmige Werkstücke 2 mit einem weitestgehend ovalen oder polygonalen Querschnitt besonders bewährt.
Die beim eigentlichen Fügeprozess in Linie 12 bzw. in den Fügenähten 15, 16 kontinuierlich ausgebildeten napfförmigen Konturen sowohl der gefügten Bereiche 17 als auch im Bereich der ungefügten Rohrwandungsabschnittes 2a, 2b des rohrförmigen Werkstücks 2 bewirken in Verbindung mit einem von einem runden Querschnitt abweichenden Querschnitt des rohrförmigen Werkstücks 2 eine turbulente Strömung des im rohrförmigen Werkstück 2 fließenden Wärmeträgermediums, wodurch gegenüber herkömmlich in runden Rohren 2 vorherrschender weitestgehend laminarer Strömung eine verbesserte Energieaufnahme gestattet und in der Folge ein höherer Wirkungsgrad des gesamten Platten- oder Streifen-Wärmetauschers 4 erzielbar ist.
Weiterhin sorgen die napfförmigen Konturen für eine hohe Stabilität der mit dem zumindest einen rohrförmigen Werkstück 2 verbundenen plattenförmigen Werkstücke 1, 3 in Querrichtung der Fügenähte 15, 16, sowie bei der Nutzung des Platten- oder Streifen-Wärmetauschers 4 auftretenden Temperaturdifferenzen für entsprechende Ausdehnungsbereiche des beispielsweise bimetallischen Wärmetauschersystems, wenn beispielsweise die plattenförmigen Werkstücke 1, 3 aus Aluminium und das/die rohrförmige/n Werkstücke 2 aus Kupfer besteht/en.
Zwar empfehlen sich hier insbesondere Aluminium und Kupfer, jedoch ist die Erfindung nicht auf diese metallenen Werkstoffe beschränkt, sondern erfasst jedwede metallenen Werkstoffe oder auch Werkstoffkombination, die sich gemäß diesem Verfahren zum Kaltpressschweißen eignen.
Im Ergebnis umfangreicher Versuche zum Anmeldungsgegenstand wurde gefunden, dass im Falle, das Unterblech 3 erfährt in einem vorgelagerten Bearbeitungsschritt eine Vorformung derart, dass in dasselbe entlang der zu bildenden Fügenaht 16 eine Vorspannung im Blech erzeugende napfförmige oder ungerichtete Prägung 20 eingeformt wird, diese den oben beschriebenen Fügeprozess unterstützt. Hierdurch ist vorteilhaft bewirkt, dass das Unterblech 3 während des infolge besagten Kaltpressschweiß-Verfahrens sich ergebenden Materialeinzugs, verursacht durch eine verfahrensbedingte rinnenförmige Ausbildung der durch das Walzenrad 10 bzw. Matrizenrad gebildeten Matrize, in der Lage ist, besagten Materialeinzug rissfrei auszugleichen. Die hierbei entstehende Spannung im Unterblech 3 sorgt für eine exakte, planebene Lage desselben unter teilweisem Glattzug der vorab erfolgten Prägung 20 und somit für einen gleichbleibenden Querschnitt des Luftraumes zwischen Ober- und Unterblech 1, 3 nach dem erfolgten Öffnen des Rohrquerschnitts. Nachteilige Berührungen zwischen Ober- und Unterblech 1, 3 werden wirkungsvoll vermieden.
Überdies hat es sich im Rahmen besagter Versuche als vorteilhaft herausgestellt, während des Roll-Fügeprozesses das zumindest eine Rohr 2 des Rohrleitungssystems 6 mit einer definierten Zugkraft „F_Z” zu beaufschlagen und zwar derart, dass zumindest im unmittelbaren Fügebereich eine longitudinale Relativbewegung zwischen einerseits dem Ober- und Unterblech 1, 3 und andererseits dem zumindest einen Rohr 2 zu verzeichnen ist (3).
Diese besondere Verfahrensführung resultiert aus folgender Erkenntnis:
Ein Kaltpressschweißverfahren erfordert eine erhebliche Dehnung des Materials, um ein gesichertes Verschweißen zu gewährleisten. Zwischen zwei zu verschweißenden metallischen Komponenten (Oberblech 1, Rohr 2), wie es der Stand der Technik (vgl. EP 2 280 792 B1 ) beschreibt, kann dies über den zu ermittelnden Druck „P”, die entsprechende Ausformung der Walzenräder 9, 10 und die notwendige Oberflächenbehandlung des Fügepartners Rohr 2 ausreichend sichergestellt werden. Bei einem dritten Fügepartner, vorliegend das Unterblech 3, ist das Verschweißen jedoch erschwert. Die von einer Seite auf das Materialpaket (Oberblech 1, Rohrwandungsabschnitte 2a, 2b, Unterblech 3) drückende und als Stachelrad ausgebildete Walzenrad 9 schafft bei den direkt am Stachelrad anliegenden Fügepartnern (Oberblech 1 und Rohrwandungsabschnitt 2a) die notwendige Materialdehnung zur gesicherten Verschweißung. Bei den gegenüberliegenden matrizenseitigen Fügepartnern (Rohrwandungsabschnitt 2b und Unterblech 3) besteht die Gefahr, dass die Fügepartner bedingt auch durch die für diesen Schweißvorgang notwendige Ausformung der Matrize, nicht die für eine gesicherte Verschweißung ausreichende Materialdehnung erfahren. Wird nun der Druck „P” des als Stachelrad ausgebildeten Walzenrades 9 soweit erhöht, dass die untere Metallpaarung (Rohrwandungsabschnitt 2b und Unterblech 3) gesichert verschweißt wird, kann es durch eine zu starke Ausdünnung der oberen Fügepartner (Oberblech 1 und Rohrwandungsabschnitt 2a) zu einer Zerstörung des oberen Rohrwandungsabschnitts 2a kommen. Durch die definierte Zugkraft „F_Z”, die längs auf das Rohr 2 einwirkt, kann jedoch vorteilhaft das Fließen der am Schweißvorgang beteiligten Materialien kontrolliert und homogenisiert werden. Die Dehnung des unteren Fügebereiches bei eingebrachtem Druck „P” durch das als Stachelrad ausgebildeten Walzenrad 9 setzt unter longitudinalem Zug auf den Fügepartner Rohr 2 eher ein und läuft in nahezu gleichem Maße wie die obere Dehnung ab. Als Folge kann hiermit eine gesicherte Verschweißung der Fügepartner sowohl im oberen als auch im unteren Bereich der Schweißzone gewährleistet werden. Die Zugkraft „F_Z” wird vorzugsweise über nicht zeichnerisch dargestellte druckgeregelte Pneumatikeinheiten eingebracht und sorgt gleichsam für eine Reduzierung der zur gesicherten Verschweißung notwendigen Presskraft zwischen den Fügepartnern.
Wie bereits vorstehend beschrieben, findet der nach dem oben beschriebenen Verfahren hergestellte Wärmetauscher 4 bevorzugt Anwendung in thermischen Sonnenkollektoren 5, die insbesondere als Flachkollektoren ausgebildet sind. Dabei weist gemäß 10 der thermischer Sonnenkollektor 5 zumindest eine platten- oder streifenförmigen Wärmetauscher 4 der vorbeschriebenen Art auf, der in einem Wärmetauscher-Gehäuse 21 angeordnet ist. Das Wärmetauscher-Gehäuse 21 weist einen Gehäuseboden 21a, Seitenwände 21b sowie wenigstens eine transparente Abdeckung 22, beispielsweise eine Abdeckung 22 aus Glas auf.
Das Wärmeträgermedium führende Rohrleitungssystem 6 des Wärmetauschers 4 ist vorliegend durch ein Rohrregister mit parallel zueinander angeordneten Rohren 2 gebildet. Die Enden der besagten Rohre 2 sind mittels der oben bereits erwähnten Sammlerrohre 7 untereinander strömungstechnisch verbunden (12).
Der Wärmetauscher 4 ist derart im Wärmetauscher-Gehäuse 21 angeordnet und Ober- und Unterblech 1, 3 sind derart zueinander beabstandet angeordnet, dass zwischen der Abdeckung 22 und dem Oberblech 1 ein Konvektion verhindernder oder zumindest maßgeblich mindernder erster Luftspalt 23 mit überwiegend ruhender Luft, zwischen dem Ober- und dem Unterblech 1, 3 ein zweiter derartiger Luftspalt 24 mit überwiegend ruhender Luft und zwischen dem Unterblech 3 und dem Gehäuseboden 21a ein dritter derartiger Luftspalt 25 mit überwiegend ruhender Luft ausgebildet sind. Infolge der besonderen Ebenmäßigkeit des Wärmetauschers 4 weisen die genannten Luftspalte 23, 24, 25 vorteilhafterweise über die Breiten- und Längenerstreckung des Sonnenkollektors 5 einen homogenen Querschnitt auf, der sich wiederum vorteilhaft auf die Gesamtleistung des Sonnenkollektors 5 auswirkt.
In umfangreichen Versuchen zum Anmeldungsgegenstand wurden folgende, sich besonders vorteilhaft auswirkende Spaltbreiten „s₁”, „s₂”, „s₃” der Luftspalte 23, 24, 25 gefunden, um besagte ruhende Luft zu gewährleisten:
„s₁” = 10 bis 25 mm, vorzugsweise 15 bis 20 mm;
„s₂” = 5 bis 10 mm, vorzugsweise 6 bis 8 mm, und
„s₃” = 15 bis 35 mm, vorzugsweise 20 bis 30 mm.
Im Verhältnis zu herkömmlichen Sonnenkollektoren mit der eingangs beschriebenen Mineralwolledämmung verringert sich die Kollektorhöhe des erfindungsgemäßen Sonnenkollektors 5 wesentlich, woraus auch Material und Gewichtseinsparungen resultieren.
Der zweite Luftspalt 24 zwischen Unter- und Oberblech 1, 3 erhöht die Leistung des Systems wie folgt: Bei Verwendung von wärmeleitfähigem Material wie z. B. Kupfer oder Aluminium für das Unterblech 3 werden die auf der Unterseite des Oberbleches 1 bzw. Absorberbleches auftretenden Wärmeverluste, also die Wärmeenergie, welche nicht über die Wärmeleitung innerhalb des Absorberbleches zu den wärmeträgerleitenden Rohren 2 des Wärmetauschers 4 geführt wird, per Strahlung, Leitung und Konvektion an das unterseitig am Rohrleitungssystem 6 befestigte Unterblech 3 abgegeben. Dieses mit der Unterseite des Rohrleitungssystems 6 wärmeleitend verbundene Unterblech 3 kann nun aufgrund seiner guten Wärmeleitfähigkeit die aufgenommene Wärmeenergie ebenfalls dem Rohrleitungssystem 6 zuleiten. Somit wird ein erheblicher Teil der im Oberblech 1 entstehenden Verlustwärme in das Rohrleitungssystem 6 zurückgeführt.
Durch das im Unterblech 3 vorherrschende, im Vergleich zum Oberblech 1 erheblich niedrigere Temperaturniveau kann der zwischen Unterblech 3 und Rückwand bzw. Gehäuseboden 21a des Wärmetauscher-Gehäuses 21 befindliche Luftraum aufgrund der Dämmwirkung der gebildeten stehenden Luftschicht den Einsatz einer üblichen Mineralfaserdämmung kompensieren. Eine etwaige gegenüber einer Mineralfaserdämmung von z. B. 50 mm Dicke geringere Dämmwirkung der Luftschicht wird durch das gegenüber dem Oberblech 1 niedrigere Temperaturniveau des Unterbleches 3 kompensiert.
Um die Leistung des Sonnenkollektors 5 noch weiter zu optimieren, ist ein weiteres, den dritten Luftspalt „s₃” teilendes und parallel oder weitestgehend parallel zum Unterblech 3 angeordnetes plattenförmiges Blech 26 vorgesehen. Besagtes Blech 26 ist in den 11 und 12 durch eine gestrichelte Linienführung dargestellt. Eine Isolierschicht nach dem Stand der Technik aus beispielsweise einer dicken Mineralwolleschicht ist durch diese Maßnahme entbehrlich.
Das zumindest eine weitere Blech 26 bildet dabei mit dem Wärmetauscher 4 eine Baueinheit aus und ist mit demselben durch herkömmliche Fügemaßnahmen, wie z. B. Falten bzw. Bördeln, Pressschweißen, Durchsetzfügen Kleben o. a. fest verbunden (nicht zeichnerisch dargestellt). Hierdurch sind die Montagekosten reduziert. Überdies trägt das zumindest eine weitere Blech 26 vorteilhaft zur Stabilisierung der Struktur des Wärmetauschers 4 bei. Wärmebedingte Verzüge während des Betriebs des Wärmetauschers 4 sind besonders wirkungsvoll vermieden. Das zumindest eine weitere Blech 26 dient demgemäß nicht nur einer noch weiter verbesserten Isolierung, sondern fungiert gleichzeitig als Verstärkungselement.
Gemäß 10 sind die Luftschichten in den von den Luftspalten 23, 24, 25 gebildeten Bauräumen des Sonnenkollektors 5 zwar nicht hermetisch voneinander abgeschlossen, jedoch sind deren daraus resultierende Verbindungsspalte 27 derart eng bemessen, dass hinsichtlich Konvektion ein Wärmeaustausch über die Luft vermieden, zumindest jedoch maßgeblich minimiert ist. Bevorzugt weisen dabei besagte Verbindungsspalte 27 eine Spaltbreite „s₄” 1 bis 10 mm oder auch weniger auf.
Um die Emission von Wärmestrahlung in den Rückraum des Sonnenkollektors 5 zu vermeiden, zumindest jedoch wirkungsvoll zu reduzieren, ist/sind das Unterblech 3 und/oder das zumindest eine weitere Blech 26 wenigstens sonnenseitig hochglänzend ausgebildet.
12 zeigt schließlich noch ein Unterblech 3, welches um die Außenkontur der Sammlerrohre 7 weitestgehend formkomplementär in einem Teilkreis herumgeführt ist. Hierdurch ist eine Wärmeübertragung vom Unterblech 3 auf das in den Sammlerrohren 7 befindliche Wärmeträgermedium gewährleistet und somit besagte Wärmeausbeute weiter maximiert.
Bezugszeichenliste

1: erstes Werkstück/Oberblech
2: zweites Werkstück/Rohr
2a: Rohrwandungsabschnitt
2b: Rohrwandungsabschnitt
3: drittes Werkstück/Unterblech
4: Wärmetauscher
5: Sonnenkollektor
6: Rohrleitungssystem
7: Sammlerrohr
8: Walzspalt
9: Walzenrad (Stempelrad/Stachelrad)
10: Walzenrad (Matrizenrad)
10a: Ambossring
10b: Stützscheibe
10c: Stützscheibe
11: Walzrichtung
12: Linie (Fügenaht 15, 16)
13: Erhebungen (Walzenrad 9)
14: Umfangsnut (Walzenrad 10)
15: Fügenaht
16: Fügenaht
17: gefügte Bereiche (Fügenaht 15, 16)
18: ungefügte Bereiche (Fügenaht 15, 16)
19: Freistiche
20: Prägung
21: Wärmetauscher-Gehäuse
21a: Gehäuseboden
21b: Seitenwände
22: Abdeckung
23: erster Luftspalt
24: zweiter Luftspalt
25: dritter Luftspalt
26: Blech
27: Verbindungsspalt
„P”: Druck/Anpresskraft
„F_Z”: Zugkraft
„s₁”: Spaltbreite (Luftspalt 23)
„s₂”: Spaltbreite (Luftspalt 24)
„s₃”: Spaltbreite (Luftspalt 25)
„s₄”: Spaltbreite (Verbindungsspalt 27)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2280792 B1 [0002, 0031, 0060]
DE 102009049481 A1 [0003]
DE 202005007474 U1 [0003]
DE 202006016294 U1 [0003]
DE 102012010725 A1 [0003]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines platten- oder streifenförmigen Wärmetauschers (4) für einen thermischen Sonnenkollektor (5), insbesondere Flachkollektor, gekennzeichnet durch folgende Schritte: a) Bereitstellung eines Rohrleitungssystems (6) mit zumindest einem Rohr (2) aus Metall, b) Bereitstellung zumindest eines als Absorberblech ausgebildeten plattenförmigen Oberbleches (1), c) Bereitstellung zumindest eines plattenförmigen Unterbleches (3), d) Zusammenpressen des Rohrleitungssystems (6) derart, dass ein erster und ein zweiter, plan aufeinanderliegender Rohrwandungsabschnitt (2a, 2b) des zumindest einen Rohres (2) des Rohrleitungssystems (6) ausgebildet werden, e) Positionierung des zumindest einen Oberbleches (1) auf dem einen, ersten Rohrwandungsabschnitt (2a) des zumindest einen zusammengepressten Rohres (2) des Rohrleitungssystems (6) und Positionierung des zumindest einen Unterbleches (3) auf dem anderen, zweiten, dem Oberblech (1) gegenüberliegenden Rohrwandungsabschnitt (2b) des zumindest einen Rohres (2) des Rohrleitungssystems (6), f) Einführen des mit dem zumindest einen Ober- und Unterblech (1, 3) komplettierten Rohrleitungssystems (6) in einen Walzspalt (8) einer einen Roll-Fügeprozess bewirkenden Walzvorrichtung, welche Walzvorrichtung zwei achsparallel gegenüberliegend angeordnete und gegenläufig rotierenden Walzenräder (9, 10) aufweist, sowie gleichzeitiges Fügen des Oberbleches (1) mit dem unmittelbar benachbart angeordneten ersten, plan ausgebildeten Rohrwandungsabschnitt (2a) und des Unterbleches (3) mit dem unmittelbar benachbart angeordneten zweiten, plan ausgebildeten Rohrwandungsabschnitt (2b) entlang je einer zu bildenden Fügenaht (15, 16) durch Kaltpressschweißen, und g) Umformen des zumindest einen Rohres (2) des Rohrleitungssystems (6) derart, dass die aufeinanderliegenden und mit dem Ober- oder Unterblech (1, 3) gefügten Rohrwandungsabschnitte (2a, 2b) einen langgestreckten Hohlraum ausbildend, voneinander beabstandet werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Schritt e) das Unterblech (3) vorab eine Vorformung derart erfährt, dass in dasselbe entlang der zu bildenden Fügenaht (16) eine Vorspannung im Blech erzeugende napfförmige oder ungerichtete Prägung (20) eingeformt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Schritt f) während des Roll-Fügeprozesses das zumindest eine Rohr (2) des Rohrleitungssystems (6) mit einer definierten Zugkraft „F_Z” beaufschlagt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine Rohr (2) des Rohrleitungssystems (6) mit einer derartigen Zugkraft „F_Z” beaufschlagt wird, dass zumindest im unmittelbaren Fügebereich eine longitudinale Relativbewegung zwischen einerseits dem Ober- und Unterblech (1, 3) und andererseits dem zumindest einen Rohr (2) zu verzeichnen ist.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Schritt f) das Ober- und/oder das Unterblech (1, 3) mit dem jeweils zugeordneten Rohrwandungsabschnitt (2a, 2b) in Fügeintervallen durch Kaltpressschweißen gefügt werden.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Hinblick auf den Schritt g) die Rohrwandungsabschnitte (2a, 2b) nach einem IHU-Verfahren (IHU = Innen-Hochdruck-Umformung) voneinander beabstandet werden.
Thermischer Sonnenkollektor (5), insbesondere Flachkollektor, mit zumindest einem platten- oder streifenförmigen Wärmetauscher (4), der in einem Wärmetauscher-Gehäuse (21) angeordnet ist, wobei das Wärmetauscher-Gehäuse (21) einen Gehäuseboden (21a), Seitenwände (21b) sowie wenigstens eine transparente Abdeckung (22) aufweist, und wobei der zumindest eine Wärmetauscher (4) ein ein Wärmeträgermedium führendes Rohrleitungssystem (6) mit zumindest einem Rohr (2) aus Metall und zumindest ein zwischen dem Rohrleitungssystem (6) und der Abdeckung (22) angeordnetes und mit dem Rohrleitungssystem (6) fest verbundenes und als Absorberblech fungierendes plattenförmiges Oberblech (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Wärmetauscher (4) zumindest ein zwischen dem Rohrleitungssystem (6) und dem Gehäuseboden (21a) angeordnetes und mit dem Rohrleitungssystem (6) fest verbundenes und parallel oder weitestgehend parallel zum Oberblech (1) angeordnetes plattenförmiges Unterblech (3) zugeordnet ist, wobei sowohl Oberblech (1) als auch Unterblech (3) durch Kaltpressschweißen mit dem Rohrleitungssystem (6) fest verbunden sind.
Thermischer Sonnenkollektor (5) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Ober- und Unterblech (1, 3) in einem Fügeschritt mit dem Rohrleitungssystem (6) verbunden sind.
Thermischer Sonnenkollektor (5) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (4) derart im Wärmetauscher-Gehäuse (21) angeordnet ist und Ober- und Unterblech (1, 3) derart zueinander beabstandet angeordnet sind, dass zwischen der Abdeckung (22) und dem Oberblech (1) ein Konvektion verhindernder oder zumindest maßgeblich mindernder erster Luftspalt (23) mit überwiegend ruhender Luft, zwischen dem Ober- und dem Unterblech (1, 3) ein zweiter derartiger Luftspalt (24) mit überwiegend ruhender Luft und zwischen dem Unterblech (3) und dem Gehäuseboden (21a) ein dritter derartiger Luftspalt (25) mit überwiegend ruhender Luft ausgebildet sind.
Thermischer Sonnenkollektor (5) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Spaltbreite „s₁” des ersten Luftspaltes (23) 10 bis 25 mm, vorzugsweise 15 bis 20 mm, die Spaltbreite „s₂” des zweiten Luftspaltes (24) 5 bis 10 mm, vorzugsweise 6 bis 8 mm und die Spaltbreite „s₃” des dritten Luftspaltes (25) 15 bis 35 mm, vorzugsweise 20 bis 30 mm beträgt.
Thermischer Sonnenkollektor (5) nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein weiteres, den dritten Luftspalt (25) teilendes und parallel oder weitestgehend parallel zum Unterblech (3) angeordnetes plattenförmiges Blech (26) vorgesehen ist.
Thermischer Sonnenkollektor (5) nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest eine weitere Blech (26) mit dem Wärmetauscher (4) eine Baueinheit bildet und mit demselben fest verbunden ist.
Thermischer Sonnenkollektor (5) nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Luftschichten in den von den Luftspalten (23, 24, 25) gebildeten Bauräumen nicht hermetisch voneinander abgeschlossen sind, jedoch deren daraus resultierende Verbindungsspalte (27) derart eng bemessen sind, dass hinsichtlich Konvektion ein Wärmeaustausch über die Luft vermieden, zumindest jedoch maßgeblich minimiert ist.
Thermischer Sonnenkollektor (5) nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsspalte (27) eine Spaltbreite „s₄” von 1 bis 10 mm oder weniger aufweisen.
Thermischer Sonnenkollektor (5) nach einem der Ansprüche 7 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass das Unterblech (3) und/oder das zumindest eine weitere Blech (26) wenigstens sonnenseitig hochglänzend ausgebildet ist/sind.