DE102021100079A1

DE102021100079A1 - Herstellungsverfahren für einen Wärmeübertrager durch dynamisches Fügen

Info

Publication number: DE102021100079A1
Application number: DE102021100079.3A
Authority: DE
Inventors: Thomas Noll; Bernhard Puttke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2021-01-05
Filing date: 2021-01-05
Publication date: 2022-07-07
Also published as: EP4274703A1; WO2022148780A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers, bei welchem ein Wärmekollektor und ein Wärmetauscher über eine thermomechanische Brücke stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Das Verfahren zeichnet sich dadurch aus, dass ein anfänglicher Spalt zwischen dem Wärmekollektor und dem Wärmetauscher während der Herstellung der thermodynamischen Brücke von einem ersten Spaltmaß auf ein zweites Spaltmaß verkleinert wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wärmeübertrager sind Vorrichtungen zur Übertragung von thermischer Energie von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke. Aus der JP 2013 204 841 A1 ist ein Herstellungsverfahren für einen Wärmeübertrager bekannt, bei welchem zwei Leitungssysteme durch ein Schmelzlot miteinander verbunden werden. In jedem der Leitungssysteme fließt jeweils ein Wärmeübertragungsmittel. Die Verbindung erfolgt durch Tauchbaden der zueinander in Anlage gebrachten und damit vorpositionierten zwei Leitungssysteme des Wärmeübertragers in ein Tauchbad mit geschmolzenen Lot. Die zwei Leitungssysteme sind dabei ohne Spaltmaß unmittelbar in Anlage gebracht. Eines der Leitungssysteme weist an der Anlagefläche Nuten auf. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den zwei Leitungssystemen erfolgt durch das Einfließen von Lot in die Nuten. Nach Erkalten des Schmelzlotes bildet dieses eine thermomechanische Brücke zwischen den zwei Leitungssystemen. Dies bedeutet, dass die zwei Leitungssysteme sowohl thermisch als auch mechanisch über das erkaltete Schmelzlot miteinander verbunden sind.
Für die Herstellung von thermisch wie auch mechanisch möglichst leistungsfähigen Verbindungen ist es erwünscht, dass die Fügepartner nach Möglichkeit großflächig und so nah wie möglich aneinander liegen. Eine dazwischen liegende Haftschicht bzw. Verbindungsschicht, hier das Schmelzlot, soll eine gleichmäßige Dicke mit möglichst geringem thermischen Widerstand aufweisen.
Die in der JP 2013 204 841 A1 JP offenbarte thermomechanische Brücke weist aufgrund der Nuten jedoch eine ungleichmäßige Dicke bzw. Verbindungsschicht auf, sodass sich aufgrund der unterschiedlichen Materialstärke der Verbindungsschicht Schwankungen in der thermischen Leitfähigkeit als auch Schwankungen in der mechanischen Festigkeit ergeben. Außerdem kann bei den unmittelbar in Anlage gebrachten Anlageflächen flüssiges Lot aufgrund seiner Viskosität nicht in die zu dünnen Spalte eindringen, so dass es zu Lufteinschlüssen kommen kann, die weder für die mechanische noch die thermische Leistungsfähigkeit von Vorteil sind.
Aus dem Stand der Technik sind mit der EP 1 184 124 A2 und der DE 10 2014 222 729 A1 weiter Herstellungsverfahren zum stoffschlüssigen Verbinden zweier Fügepartner durch Vorpositionierung unter Beabstandung der Fügepartner und anschließendes Tauchbaden bekannt.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers mit einer möglichst leistungsfähigen, d.h. dünnen und gleichmäßigen, thermomechanischen Brücke anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1.
In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Wärmeübertrager mit einem Wärmekollektor (erster Fügepartner; in Kontakt zur thermischen Quelle) und einem Wärmetauscher (zweiter Fügepartner, thermische Senke) über eine thermomechanische Brücke (stoffschlüssige Verbindungsschicht) verbunden, wobei die thermomechanische Brücke durch dynamisches Fügen erfolgt. Das dynamische Fügen umfasst die folgenden Schritte vorzugsweise in der hier angegebenen Reihenfolge:

A. Positionieren des Wärmekollektors und des Wärmetauschers unter Ausbildung eines Spaltes in einem ersten Spaltmaß zueinander (Ausgangsspalt)
B. Verfüllen des Spaltes mit einem flüssigen Schmelzlot
C. Verkleinern des Spaltes bis zu einem zweiten Spaltmaß zwischen dem Wärmekollektor und dem Wärmetauscher unter partieller Verdrängung des im Spalt befindlichen Schmelzlotes (Endspalt)
D. Abkühlen des flüssigen Schmelzlotes im verkleinerten Spalt (Endspalt) bis zur Erstarrung.

Beim dynamischen Fügen erfolgt während des Fügeprozesses also eine Relativbewegung zwischen den zwei Fügepartnern, also dem Wärmekollektor und dem Wärmetauscher. Durch die Relativbewegung kann eine vollständige Benetzung aller Kontaktflächen gewährleistet werden. Gleichzeitig werden Lufteinschlüsse vermieden.
Der Ausgangsspalt (erster Spaltmaß) kann dabei ausreichend groß gewählt werden, dass auch bei sehr großen bzw. sich sehr lang erstreckenden Spalten das Schmelzlot selbst bei hoher Viskosität vollständig in den Spalt eindringen und alle Kontaktflächen benetzen kann. Anschließend wird der Anfangsspalt bis auf ein Zielmaß des Endspaltes (zweites Spaltmaß) verkleinert. Die Dicke (Höhe) des Endspaltes ist dabei zum Beispiel auf ein technisch mögliches Minimum reduziert, um einen möglichst geringen Wärmewiderstand zu erzeugen.
Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
Die Verkleinerung des Spaltes kann beispielsweise rein passiv unter Ausnutzung der Schwerkraft bzw. des Eigengewichts der Fügepartner erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Verkleinerung des Spaltes auch über externe aufgebrachte Kräfte unterstützt werden.
Vorzugsweise erfolgt das Verfüllen des Spaltes mit einem flüssigen Schmelzlot dabei in einem mit dem flüssigen Schmelzlot gefüllten Tauchbad. Durch die Verwendung eines Tauchbades können die Fügepartner (Wärmekollektor und Wärmetauscher) gleichzeitig auch beidseitig und vollflächig beschichtet werden. Bei der Beschichtung kann es sich um eine Schutzschicht handeln. Dadurch kann insbesondere korrosionsbedingten Zerfallsprozessen vorgebeugt werden. Bei dem Schmelzlot kann es sich beispielsweise um eine Zinklegierung handeln. Zink hat neben einer hohen thermischen Leitfähigkeit außerdem den Vorteil hoher mechanischer Festigkeit und wirkt einer Alterung als Antioxidans entgegen. Ein weiterer Vorteil von Zink ist die etwas geringere Dichte im Vergleich zu Stahl, so dass die Fügepartner, die bevorzugt aus Stahl gefertigt sind, im Tauchbad nach unten sinken.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden der Wärmekollektor und der Wärmetauscher über einen Abstandshalter zueinander positioniert. Der Abstandshalter kann zum Beispiel eingerichtet sein, das erste und/oder das zweite Spaltmaß eindeutig festzulegen.
Denkbar und möglich ist es, auch mehrere Abstandshalter einzusetzen. Mit mehreren Abstandshaltern kann insbesondere eine erwünschte Koplanarität der Fügepartner erzielt bzw. verbessert werden.
Zur Vereinfachung des Fügeprozesses kann der Abstandshalter vor dem Eintauchen in ein Tauchbad mit einem der Fügepartner, vorzugsweise dem Wärmetauscher, zum Beispiel stoffschlüssig durch Schweißen, Löten oder Kleben, verbunden werden. Hierdurch können unerwünschte Freiheitsgrade eliminiert werden. Z.B. wird der Abstandshalter lösbar oder unlösbar mit dem Wärmetauscher verbunden, bevor der Wärmetauscher gegenüber dem Wärmekollektor platziert und anschließend in das Tauchbad eingetaucht wird.
Zweckmäßig kann es sein, dass der Abstandshalter als Zylinderkörper mit sich entlang einer Längsachse erstreckenden Abschnitten ausgebildet ist. Jeder Abschnitt kann dabei zweckmäßig eine unterschiedliche Querschnittsfläche aufweisen. Unter Zylinderkörper ist dabei jede sich entlang einer Führungslinie erstreckende Querschnittsform zu verstehen.
In einer Ausführungsform kann es sich um kreisrunde Querschnittsformen unterschiedlicher Durchmesser handeln; bei dem Zylinderkörper handelt es sich dann um einen Kreiszylinder mit zwei Wellenschultern bzw. Rücksprüngen. Andere Querschnittsformen sind möglich.
Durch die Höhe einzelner Abschnitte können z.B. die Abstände der Fügepartner, d.h. die Abstände von Anfangs- und Endspalt, eindeutig festgelegt werden.
Zur Aufnahme eines Abschnitts des Zylinderkörpers kann der Wärmekollektor eine zum Abstandshalter, insb. zu einem oder mehreren Abschnitten des Abstandshalters, komplementäre Aufnahmeöffnung aufweisen.
Die Aufnahmeöffnung kann den Zylinderkörper vorzugsweise in wenigstens zwei unterschiedlichen Aufnahmepositionen (Anfangsposition, Endposition) mit z.B. unterschiedlicher Eindringtiefe aufnehmen.
Die Aufnahmeöffnung weist vorteilhaft einen ersten Öffnungsabschnitt mit einer zur ersten Querschnittsfläche eines ersten Abschnitts des Zylinderköpers korrespondierenden Öffnung sowie einen zweiten Öffnungsabschnitt mit einer zur zweiten Querschnittsfläche eines zweiten Abschnitts des Zylinderköpers korrespondierenden Öffnung auf.
Der Abstandshalter und die Aufnahmeöffnung können dabei so ausgebildet sein, dass der Abstandshalter durch eine Translation, d.h. Verschiebebewegung, in Ebene der Aufnahmeöffnung, von dem ersten Öffnungsabschnitt zu dem zweiten Öffnungsabschnitt verschiebbar ist, wobei der Abstandshalter in der ersten Aufnahmeöffnung mit einer ersten Aufsitzfläche auf dem Wärmekollektor aufliegt und der Abstandshalter in dem zweiten Öffnungsabschnitt mit einer zweiten Aufsitzfläche auf dem Wärmekollektor aufliegt. Durch den Wechsel der Aufsitzfläche kann der Abstandshalter unterschiedlich tief in die Aufnahmeöffnung eindringen.
Die Verschiebung kann beispielsweise durch ein am Abstandshalter oder an einem der Fügepartner befestigten Seilzug erfolgen. Eine Relativbewegung der zwei Fügepartner kann auch durch andere geeignete Mittel erzielt werden.
Der Abstandshalter kann nach Abschluss des Fügeprozesses zwischen den Fügepartnern verbleiben. Er kann auch partiell oder in Gänze entfernt werden. Soweit er zwischen den Fügepartnern verbleibt, kann er vorteilhaft zwischen Wärmekollektor und Wärmetauscher zu übertragende Kräfte zumindest teilweise übernehmen.
Der Wärmekollektor kann in einer zweckmäßigen Anwendung als Spundwand ausgebildet sein. Unter Spundwand ist ein im Wesentlichen flächig sich erstreckendes Gebilde zu verstehen, welches vorgesehen ist, in ein Erdreich beispielsweise mittels einer Hydraulik-Ramme eingetrieben zu werden. Ein derart ausgebildeter Wärmekollektor eignet sich zum Beispiel als Erdkollektor zum Sammeln von Erdwärme oder - wenn die Spundwand an einem Gewässer zur Trennung von Land und Wasser errichtet ist - zum Sammeln der im Wasser gespeicherten Wärme.
Von Vorteil ist bei dieser Einbringtechnik die großflächige Anbindung der Spundwand an das Erdreich, welches beim Rammen verdrängt und damit verdichtet wird. Auf eine aufwändige Verfüllung eines üblicherweise notwendigen Bohrlochs mit z.B. Bentonit - wie bei Erdsonden üblich - kann verzichtet werden. Gegenüber Erdsonden - wie dem weit verbreiteten Doppel-U - kann die Wärmeentzugsleistung deutlich gesteigert werden, insbesondere dann, wenn die thermische Anbindung der Spundwand an den Wärmetauscher über eine thermomechanische Brücke realisiert ist. Damit können die Kollektorfläche verkleinert und Kosten eingespart werden.
Bei dem Wärmetauscher kann es sich um einen insbesondere U-förmigen Rohrabschnitt mit einem Einlass und einem Auslass handeln, welcher vorzugsweise flächig mit dem Wärmekollektor verbunden ist. Der Rohrabschnitt ist zweckmäßig als rechteckiges Hohlprofil (Rechteck-Rohr) ausgebildet, so dass eine Seite eine entsprechend plane Anlagefläche zur Anlage bzw. Verbindung mit dem Wärmekollektor aufweist. Hierdurch kann eine großflächige Anbindungsfläche bzw. Verbindungsfläche zwischen Wärmekollektor und Wärmetauscher und eine hohe Wärmeübertragungsleistung sowie eine hohe mechanische Festigkeit erreicht werden.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform wird der Wärmetauscher an Einlass und Auslass beim Eintauchen des Wärmeübertragers in das Tauchbad nicht verschlossen. Hierdurch kann der Wärmeübertrager auch von innen beschichtet werden. Zweckmäßigerweise kann der Wärmetauscher eine Abflussöffnung aufweisen, durch welche im Wärmetauscher befindliche Luft beim Tauchbaden entweichen kann und/oder im Wärmetauscher befindliches Lot nach dem dynamischen Fügen abfließen kann oder umgekehrt. Das Tauchbaden kann aus diesem Grund bevorzugt schräg erfolgen. Der Wärmetauscher ist beim Eintauchen in das Tauchbad z.B. in einem Winkel von 5 bis 30° gegenüber der Horizontalen angestellt.
Durch den Wärmetauscher kann im Betrieb ein Wärmeübertragungsmittel, insbesondere ein Wärmeübertragungsfluid, geleitet werden, wobei das Wärmeübertragungsmittel während der Passage durch den Wärmetauscher thermische Energie von dem Erdkollektor aufnehmen (oder im Fall der Kühlung an diesen abgeben) kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können nach dem Tauchbaden am Einlass und/oder am Auslass des Wärmetauschers eine Wärmeisolierung (Isolierkörper) angeordnet werden. Hierdurch kann ein Wärmeübergang zwischen Einlass und Auslass, d.h. den Stellen mit dem höchsten Temperaturunterschied, minimiert werden. Weiterhin kann die Wärmeabgabe an die Umgebung auf Höhe von Ein- bzw. Auslass minimiert werden, so dass das Temperaturniveau an Ein- bzw. Auslass insgesamt angehoben werden kann.
Die Wärmeisolierung kann als Rohreinsatz mit einer zentrischen Öffnung ausgebildet sein, die im Einlass bzw. Auslass des Wärmetauschers eingesetzt wird und sich über eine bestimmte Länge, z.B. 50cm, in den Einlass bzw. Auslass hinein erstrecken.
Ein- und Auslass können vorteilhaft über jeweils einen Deckel mit einem Anschlussflansch verschlossen werden. Der Deckel kann auf den Einlass bzw. Auslass aufgeschweißt sein. Andere Schnittstellen sind möglich.
Eine Wärmeisolierung erlaubt in einer bevorzugten Anwendung den Einsatz von im Wesentlichen reinem Wasser als Wärmeübertragungsfluid. Gegenüber der Verwendung von Fluiden mit Frostschutz - wie z.B. Gemische aus Wasser und Glycol - weist reines Wasser eine wesentlich niedrigere Viskosität auf, wodurch die Leistung der Förderpumpe (auch Solepumpe genannt) reduziert werden kann. Unter dem Begriff „im Wesentlichen reines Wasser“ ist Wasser mit einem Additiv-Gehalt von max. 1 Vol-% zu verstehen.
In einer vorteilhaften Ausführung beträgt das erste Spaltmaß (Anfangsspalt) mehr als 5 und weniger als 20 mm, besonders bevorzugt mehr als 7 und weniger als 15 mm. Ein derartiges Spaltmaß bildet einen guten Kompromiss zwischen notwendiger Spaltdicke für eine vollständige Benetzung aller Verbindungsflächen auf der einen Seite, sowie möglichst geringer Spaltdicke für ein positionstreues Fügen mit geringen Toleranzen auf der anderen Seite.
Unabhängig vom ersten Spaltmaß (Anfangsspalt) kann das zweite Spaltmaß eingestellt werden. In einer zweckmäßigen Ausführungsvariante kann das zweite Spaltmaß z.B. über die Höhe eines Abschnitts eines Abstandshalters eingestellt sein. Das zweite Spaltmaß beträgt bevorzugt 5mm oder weniger, insb. weniger als 3mm.
Das zweite Spaltmaß kann jedoch auch auf praktisch 0 reduziert werden. Dies kann z.B. erfolgen, indem keine Abstandshalter zum Einstellen des zweiten Spaltmaßes verwendet werden und die Fügepartner aufeinander in Schritt C des Verfahrens (Verkleinern des Spaltes auf ein zweites Spaltmaß) auf Stoß gefügt werden. Das zweite Spaltmaß ist dann im Wesentlichen durch die Unebenheiten der Fügepartner bestimmt. Dies hat den Vorteil, dass die Lotmenge und damit die Kosten minimiert und die Wärmeleitung zwischen den Fügepartnern maximiert wird.
Sowohl der Wärmetauscher als auch der Wärmekollektor können aus einem Stahl gefertigt sein, der bevorzugt für Feuerverzinken geeignet ist.
Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
Dabei zeigen

1A einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit Wärmetauscher, Wärmekollektor und Abstandshaltern einer 1. Ausführungsform in einer perspektivischen Explosionsansicht,
1B den Wärmeübertrager aus 1A in einer 2. perspektivischen Explosionsansicht,
2A/B den Wärmeübertrager in einer Endposition in einer 1. bzw. 2. perspektivischen Ansicht,
3A/B einen schematischen Fügeprozess des Wärmetauschers in einem Tauchbad in einer Schnittansicht,
4 einen Abstandshalter in einer perspektivischen Ansicht,
5A/B einen in einer Aufnahmeöffnung des Wärmekollektors aufgenommenen Abstandshalter in einer 1. bzw. 2. Position (Anfangsposition, Endposition),
6A/B den in der Aufnahmeöffnung aufgenommenen Abstandshalter aus 5A und 5B in einer Draufsicht in der 1. bzw. 2. Position.

Der in den nachfolgenden Figuren gezeigte Wärmeübertrager 1 besteht aus einem Wärmekollektor 2 und einem Wärmetauscher 3, welche über eine thermomechanischen Brücke 7 stoffschlüssig miteinander verbunden sind bzw. werden. Die thermomechanische Brücke ist dabei zwischen den Verbindungsflächen 20 und 30 von Wärmekollektor bzw. Wärmetauscher 3 befindlich. Bei der thermomechanische Brücke 7 kann es sich um ein erkaltetes Lot, insbesondere eine Zinklegierung, handeln.
In den 1A und 1B ist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 bestehend aus dem Wärmetauscher 3 und dem Wärmekollektor 2 in noch nicht montiertem Zustand gezeigt. Der Wärmekollektor 2 ist hier als im Wesentlichen flächige Spundwand mit einem zentralen Wandabschnitt und links und rechts davon abstehenden Flügeln ausgebildet.
Der Wärmeübertrager 1 kann beispielsweise senkrecht stehend mittels einer Ramme in ein Erdreich eingesetzt werden, und bildet dann mit seiner Wandung eine große Kontaktfläche zur Aufnahme von thermischer Energie aus dem Erdreich. In anderen Worten wird der Wärmekollektor 2 stets ein dem Erdreich ähnliches Temperaturniveau aufweisen.
Zur Vergrößerung der Leistungsparameter können mehrere Wärmeübertrager 1 seriell nebeneinander in den Boden eingebracht werden. Diese können vorteilhaft über hier nicht eingezeichnete an den Flügeln der Profile befindliche Spundwandschlösser miteinander verriegelt werden.
Bei dem Wärmetauscher 3 handelt es sich in dem Ausführungsbeispiel um ein Rechteckrohr mit einem Einlass 31 und einem Auslass 32, über welche der Wärmetauscher 3 mit einem vorzugsweise flüssigen Wärmeleitmittel beaufschlagt werden kann. Der Wärmetauscher 3 ist außerdem U-förmig mit einem linken Schenkel 3a, einem rechten Schenkel 3c und einem dazwischen liegenden Verbindungsstück 3b ausgebildet. Der Einlass 31 und der Auslass 32 liegen hierdurch an einem Ende eines Schenkels auf derselben Höhe. Über das im Betrieb durch den Wärmetauscher 3 fließende Wärmeleitmittel kann thermische Energie des Wärmekollektors 2 aufgenommen und beispielsweise zu einer Wärmepumpe transportiert werden, wo die thermische Energie unter geringem Energieaufwand in einem Kondensator der Wärmepumpe auf ein höheres Niveau gehoben und beispielsweise zur Erhitzung von Brauchwasser oder dem Heizen eines Gebäudes verwendet werden kann.
Der Einlass 31 und der Auslass 32 des Wärmetauschers 3 können vor oder auch erst nach dem Einbringen der Spundwand 1 in das Erdreich mit einem Deckel 4" verschlossen werden. Die hier dargestellten Deckel 4" sind als Deckel mit Flanschen ausgebildet und werden bevorzugt auf dem Einlass 31 bzw. Auslass 32 verschweißt. Der Flansch stellt gleichzeitig einen Übergang zwischen dem Rechteckrohr des Wärmetauschers 3 und einer nicht dargestellten Zuleitung bzw. Ableitung des Wärmetauschers 3 dar.
Die Flansche sind hierbei in den Wärmetauscher 3 hinein verlängert und passieren jeweils einen in den Einlass 31 bzw. Auslass 32 eingebrachten Isolierkörper 4 mit einer zylindrischen Öffnung 4'. Es kann auch vorgesehen sein, den Rohrquerschnitt in diesem Bereich weiter zu reduzieren, damit das Wärmeträgerfluid weniger Zeit hat, sich in diesem kalten, erdoberflächennahen Abschnitt des Wärmetauschers abzukühlen.
Aufgrund der Isolierkörper 4 kühlt der Einlass und der Auslass selbst bei Minusgraden nicht unter den Gefrierpunkt ab. Daher kann zweckmäßig im Wärmetauscher (3) Wasser anstelle eines üblicherweise verwendeten Wasser-Glycol-Gemischs verwendet werden. Das hat folgende Vorteile: (1) Es werden keine grundwassergefährdenden Stoffe verwendet, wodurch das Zulassungsverfahren einfacher wird, (2) Aufgrund der geringeren Viskosität sinkt die Leistungsaufnahme der Förderpumpe und (3) Kostenvorteile.
Für eine effiziente Wärmeübertragung ist es notwendig, dass die thermischen Widerstände zwischen Erdreich und Wärmekollektor 2, Wärmekollektor 2 und Wärmetauscher 3 sowie Wärmetauscher 3 und Wärmeleitmittel möglichst klein gehalten sind. Entsprechend vorteilhaft ist es, wenn der Wärmekollektor 2 möglichst großflächig ist und wenn eine Verbindung zwischen Wärmekollektor 2 und Wärmetauscher 3 (Verbindungsflächen 20, 30) möglichst großflächig und gleichzeitig dünn ist, um einen möglichst niedrigen thermischen Widerstand zu erhalten.
Da der Wärmetauscher 3 in dem Ausführungsbeispiel gemeinsam mit dem Wärmekollektor 2 in das Erdreich eingesetzt werden soll, muss auch die mechanische Belastbarkeit der Verbindung von Wärmetauscher 3 und Wärmekollektor 2 ausreichend sein, um beispielsweise ein Einrammen in das Erdreich zu überstehen. Insbesondere ist es dabei wichtig, dass beim Einrammen in der stoffschlüssigen Verbindung von Wärmetauscher 3 und Wärmekollektor 2 keine für die thermische Leitfähigkeit unvorteilhaften Risse entstehen. Die Rissneigung kann insbesondere verringert werden, indem die auf den Wärmetauscher bzw. die auf die Verbindung wirkenden Querkräfte möglichst gering gehalten werden. Auch aus mechanischer Sicht ist es daher vorteilhaft, wenn die Verbindungsschicht möglichst dünn gestaltet ist.
Zur Herstellung des Wärmetauschers 1 können der Wärmekollektor 2 sowie der Wärmetauscher 3 über die Verbindungsflächen 20 bzw. 30 stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Die Verbindung kann dabei als thermomechanische Brücke 7 aufgefasst werden, da sie sowohl einen niedrigen thermischen Widerstand als auch eine hohe mechanische Belastbarkeit aufweist.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, den Wärmetauscher mit dem Wärmekollektor entlang des Umfangs punktuell über Schweißen anzupunkten (Punktschweißen), wodurch die mechanische Festigkeit der Verbindung weiter erhöht wird.
Wenn der oder die unten näher erläuterten Abstandshalter beim oder nach dem dynamischen Fügen nicht entfernt werden, sondern zwischen den Fügepartnern verbleiben, können alle oder zumindest ein Teil der während des Rammvorganges auftretenden Scherkräfte zwischen Wärmetauscher und Wärmekollektor von dem oder den Abstandshaltern aufgenommen werden. Durch entsprechende Auslegung der Abstandhalter 5 kann sichergestellt werden, dass die beim Rammvorgang auftretenden Querkräfte nicht zu einem Abscheren zwischen den Abschnitten 54 und 55 des oder der Abstandshalter 5 führen. Die auf die thermomechanische Brücke wirkenden Scherkräfte (Querkräfte) können hierdurch gesenkt werden.
Die stoffschlüssige Verbindung zwischen Wärmetauscher 3 und Wärmekollektor 2 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Tauchbaden von Wärmetauscher 3 und Wärmekollektor 2 in ein mit einem flüssigen Schmelzlot gefüllten Tauchbad 10, so dass das Schmelzlot in einen Spalt 6' mit einem ersten Spaltmaß V1 (Anfangsspalt) zwischen die zu verbindenden Verbindungsflächen 20, 30 fließen kann. Der Spalt 6' wird vor Erkalten des Schmelzlotes auf ein Endmaß mit einem Abstand V2 verringert (Endspalt 6"). Das nach dem Tauchbad im Spalt 6" befindliche Schmelzlot bildet nach Erkalten die gewünschte thermomechanische Brücke 7. Durch die Ausbildung eines Anfangsspaltes 6' kann eine durchgehende Benetzung aller Verbindungsflächen 20, 30 unabhängig von dem Spaltmaß V2 erzielt werden. Auch hochviskose Schmelzlote können hierdurch verwendet werden.
Es kann auch vorgesehen sein, zwischen Wärmetauscher 3 und Wärmekollektor 2 zusätzlich eine (nicht eingezeichnete) dünne metallische Struktur wie z.B. ein Metallgitter (Gaze) oder ein Streckmetall einzubringen, welches im anschließenden Tauchbad mit beschichtet wird. Damit können größere Unebenheiten zwischen den Verbindungsflächen 20, 30 überbrückt werden, ohne dass die Zinkschicht zu dick oder unterbrochen wird, was die mechanische Festigkeit nachteilig beeinflussen könnte.
Durch das Tauchbaden können außerdem alle Oberflächen des Wärmetauschers 3 beschichtet werden, so dass neben der Herstellung einer thermomechanischen Brücke der gesamte Wärmeübertrager mit einer Schutzschicht versehen werden kann. Weitere Bearbeitungsschritte, insbesondere ein separates Feuerverzinken, können hierdurch eingespart werden.
Einlass 31 und Auslass 32 des Wärmetauschers 3 werden vor dem Tauchbaden zweckmäßig nicht verschlossen, um ein Eindringen des Schmelzlotes in den Wärmetauscher 3 und dadurch eine innenliegende Beschichtung zu ermöglichen Das Verbindungselement 3b zwischen dem linken und rechten Schenkel 3a bzw. 3c (Vor- und Rücklauf) weist hierzu bevorzugt am unteren Ende eine in 2A angedeutete Öffnung O auf, durch die im Wärmetauscher befindliche Luft ins Lotbad austreten bzw. Lot in den Wärmetauscher eindringen kann. Die Öffnung kann nach dem Fügen wieder verschlossen werden. Der Beschichtungsprozess erfolgt bevorzugt so, dass das untere Ende der Anordnung mit einer Neigung zwischen 5 bis 30° in das Lot eintaucht, so dass ein Lotfluss von der Ein- und Auslasseite durch die Öffnung im Verbindungselement zurück in das Lotbad möglich ist,
Zur Ausbildung der entsprechenden Spalte (Anfangs- bzw. Endspalt 6', 6" mit Spaltmaßen V1, V2), werden der Wärmetauscher 3 und der Wärmekollektor 2 in diesem Ausführungsbeispiel über Abstandshalter 5a, 5b und 5c zueinander positioniert. Bei den Abstandshaltern 5a, 5b, 5c kann es sich um den in 4 gezeigten Abstandshalter 5 handeln.
Der in 4 gezeigt Abstandshalter 5 ist als ein sich entlang einer Rotationsachse bzw. Längsachse erstreckender Zylinderbolzen mit einem ersten Abschnitt 53, einem zweiten Abschnitt 54 und einem dritten Abschnitt 55 mit jeweils kreisrundem Querschnitt mit den Durchmessern D1, D2 respektive D3 ausgebildet. Die drei Abschnitte können alternativ auch als Führungsabschnitt 53, Zentrierabschnitt 54 und Verbindungsabschnitt 55 bezeichnet werden.
In der Verbindungsfläche 20 des Wärmekollektors 2 sind vorteilhaft mehrere Aufnahmeöffnungen 21a, 21b, 21c zur Aufnahme der entsprechenden Abstandshalter 5a, 5b und 5c angeordnet. Die Aufnahmeöffnungen 21a, 21b, 21c sind dabei ähnlich einem Schlüsselloch mit einem ersten hier rechteckigen Öffnungsabschnitt 22 mit einer Breite B1 und einer Höhe H1 sowie einem sich daran anschließenden zweiten ebenfalls rechteckigen Öffnungsabschnitt 23 mit einer Breite B2 und einer Höhe H2 ausgestaltet, wie aus 6 ersichtlich. Für die Abmessungen gilt B2 > B1 sowie H2 > H1. Andere Geometrien für die Öffnungsabschnitte 22, 23 sind möglich.
Weiterhin gilt, dass die Außenkontur des ersten Abschnitts 53 kleiner ist als die Außenkontur des ersten und zweiten Öffnungsabschnitts 22, 23, dass die Außenkontur des zweiten Abschnitts 54 kleiner ist als die des ersten Öffnungsabschnitts 22, aber größer als die des zweiten Öffnungsabschnitts 23 und dass die Außenkontur des dritten Abschnitts 54 größer ist als die des ersten und des zweiten Öffnungsabschnitts 22, 23.
Der Abstandshalter 5 wird zur Ausbildung eines Fügespaltes (Anfangsspaltes) in den ersten Öffnungsabschnitt 22 eingesetzt, so dass der Führungsabschnitt 53 dreiseitig von der Aufnahmeöffnung 22 umfasst wird und der Abstandshalter 5 mit der Wellenschulter zwischen dem Führungsabschnitt 53 und dem Zentrierabschnitt 54 des Abstandshalters 5, i.e. der Aufsitzfläche 51, auf der Verbindungsfläche 30 des Wärmekollektors 3 aufsetzt. Der so eingesetzte Abstandshalter befindet sich in der Anfangsposition P1, vgl. 1A, 5A, 6A.
Je nach Anforderungen an die Passgenauigkeit können der Öffnungsabschnitt 22 und der Führungsabschnitt 53 mit mehr oder weniger Spiel ausgebildet sein.
Vor oder nach dem Einsetzen des Abstandshalters 5 in den Öffnungsabschnitt 21 wird der Wärmetauscher 3 auf die Aufsitzfläche 52 des Verbindungsabschnitts 55 des Abstandshalters 5 aufgesetzt. Der Wärmetauscher 3 kann auch fest mit dem Abstandshalter 5 verbunden sein, zum Beispiel durch Schweißen.
Damit ergibt sich ein Spalt zwischen Wärmekollektor 2 und Wärmetauscher 3, dessen Höhe (Spaltmaß V1) über die Höhe des Abstandsabschnitts 54 und des Verbindungsabschnitts 55 definiert ist, vergleiche 3A.
Der so vorpositionierte Wärmeübertrager 1 wird dann in schräger Position mit einer Neigung zwischen bevorzugt 5 und 40° in ein Tauchbad 10 eingetaucht, so dass der Spalt 6' mit dem im Tauchbad 10 befindlichen Schmelzlot verfüllt wird, vgl. 3A.
Vor Entnahme, bei Entnahme oder nach Entnahme kann der Abstandshalter 5 in der zum Beispiel aus 1B ersichtlichen Verschieberichtung T1 nach oben verschoben werden, so dass der Abstandshalter über dem zweiten Öffnungsabschnitt 23 der Aufnahmeöffnung 21 zu liegen kommt. Da die Außenkontur (Durchmesser D2) des Zentrierabschnitts 54 kleiner ist als die Außengeometrie des Öffnungsabschnitts 23, dringt der Abstandshalter 5 unter Wirkung der Schwerkraft g so tief in die Aufnahmeöffnung 21 ein (Verschieberichtung T2), bis der Abstandshalter mit der Wellenschulter zwischen zweitem und drittem Abschnitt 54, 55, i.e. der Aufsitzfläche 52 auf der Verbindungsfläche 20 des Wärmekollektors 2 anschlägt und aufliegt (Endposition P2 des Abstandshalters 5, vgl. 5B, 6B). Die Verschiebung des Abstandshalters 5 in Verschieberichtung T1 und/oder T2 kann durch geeignete Mittel unterstützt werden. Beispielsweise kann die Verschiebung in Verschieberichtung T2 mit einer Pressvorrichtung oder einem Seilzug unterstützt werden.
Wie insb. aus 3B ersichtlich, wird hierdurch das Spaltmaß des Spaltes 6 von dem ersten Spaltmaß V1 auf das zweite Spaltmaß V2 reduziert. Das zweite Spaltmaß V2 entspricht dabei der Höhe des dritten Abschnitts, dem Abstandsabschnitt 55, des Abstandshalters 5.
Nach Erkalten des Schmelzlotes in dem Endspalt 6" können Überstände Abstandshalters 5 (Abschnitt 53) gegebenenfalls entfernt werden. Sie können jedoch auch dort verbleiben.
Bei dem exemplarisch gezeigten Herstellungsprozess handelt es sich um ein dynamisches Fügen, bei welchem zwei Fügepartner über einen Abstandshalter mit einem Abstand bzw. Spalt vorpositioniert, der Spalt unter partieller Verdrängung darin eingebrachten Lotes auf ein Zielmaß verkleinert wird. Durch das hier vorgestellte Herstellungsverfahren können insb. Wärmeübertrager mit klar definierten Verbindungsschichten/thermomechanischen Brücken hergestellt werden.
Bezugszeichenliste

B1: Öffnungsbreite (Öffnungsabschnitt)
B2: Öffnungsbreite (Öffnungsabschnitt)
H1: Öffnungshöhe (Öffnungsabschnitt)
H2: Öffnungshöhe (Öffnungsabschnitt)
D1: Durchmesser Abstandshalter
D2: Durchmesser Abstandshalter
D3: Durchmesser Abstandshalter
P1: Position 1 (Abstandshalter)
P2: Position 2 (Abstandshalter)
T1: 1. Translationsrichtung (Verschieberichtung)
T2: 2. Translationsrichtung (Fallrichtung)
R: Längsachse (Abstandshalter)
V1: Spaltmaß (Anfangsspalt)
V2: Spaltmaß (Endspalt)
1: Wärmeübertragungsvorrichtung
2: Wärmekollektoren (Spundwand)
3: Wärmetauscher (Rechteck-Rohr)
3a: Vorlauf (von Verdampfer der Wärmepumpe)
3b: Verbindungselement
3c: Rücklauf (zu Verdampfer der Wärmepumpe)
4: Isolierkörper des Wärmetauschers (bodennaher Bereich)
4': Öffnung in Isolierkörper
4": Deckel
5: Abstandshalter
6: Spalt
6': Anfangsspalt
6": Endspalt
7: thermomechanische Brücke (Zinnschicht)
10: Tauchbad
20: Verbindungsfläche (Spundwand) mit thermomechanischer Brücke 7
21: Aufnahmeöffnung (Spundwand)
22: erster Öffnungsabschnitt
23: zweiter Öffnungsabschnitt
30: Verbindungsfläche (Wärmetauscher) mit thermomechanischer Brücke 7
31: Einlass (von Verdampfer Wärmepumpe)
32: Auslass (zu Verdampfer Wärmepumpe)
50: Tragfläche (Verbindungsabschnitt)
51: Aufsitzfläche (Zentrierabschnitt)
52: Aufsitzfläche (Verbindungsabschnitt)
53: erster Abschnitt (Führungsabschnitt)
54: zweiter Abschnitt (Zentrierabschnitt)
55: dritter Abschnitt (Verbindungsabschnitt)

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

JP 2013204841 A1 [0002, 0004]
EP 1184124 A2 [0005]
DE 102014222729 A1 [0005]

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers (1) umfassend einen Wärmekollektor (2), einen Wärmetauscher (3) und eine dazwischen ausgebildete thermomechanische Brücke (7) aus einem erkalteten Schmelzlot, dadurch gekennzeichnet, dass die thermomechanische Brücke (7) durch dynamisches Fügen erzielt wird, welches die folgenden Schritte umfasst: A. Positionierung von Wärmekollektor (2) und Wärmetauscher (3) unter Ausbildung eines Spaltes (6) in einem ersten Abstand (V1) zueinander B. Verfüllen des Spaltes (6) mit einem flüssigen Schmelzlot C. Verkleinerung des Spaltes (6) bis zu einem zweiten Abstand (V2) zwischen Wärmekollektor (2) und Wärmetauscher (3) unter partieller Verdrängung des im Spalt befindlichen Schmelzlotes D. Abkühlen des flüssigen Schmelzlotes im Spalt (6) bis zur Erstarrung.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (6) unter Ausnutzung der Schwerkraft (g) und/oder durch Aufbringen einer externen Kraft von dem ersten Abstand (V1) bis zu dem zweiten Abstand (V2) verkleinert wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfüllen des Spaltes mit einem Schmelzlot in einem Tauchbad (10) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkleinern des Spaltes (6) in dem Tauchbad (10) oder nach Entnahme des Wärmeüberträgers (1) aus dem Tauchbad (10) erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung von Wärmekollektor (2) und Wärmetauscher (3) über mindestens einen Abstandshalter (5, 5a, 5b, 5c) erfolgt.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandshalter (5, 5a, 5b, 5c) mit dem Wärmetauscher (3) vor dem dynamischen Fügen fest, insbesondere stoffschlüssig, verbunden wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandshalter (5, 5a, 5b, 5c) als Zylinderkörper, insb. als Kreiszylinderbolzen, mit drei sich entlang einer Längsachse (R) erstreckenden Abschnitten (5, 5a, 5b, 5c) mit unterschiedlichen Querschnittsflächen (D1, D2, D3) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekollektor (2) mindestens eine Aufnahmeöffnung (21, 21a, 21b, 21c) zur Aufnahme des mindestens einen Abstandshalters (5, 5a, 5b, 5c) in wenigstens zwei Positionen (P1, P2) unterschiedlicher Eindringtiefe aufweist, wobei die mindestens eine Aufnahmeöffnung (21, 21a, 21b, 21c) einen ersten Öffnungsabschnitt (22) und einen zweiten Öffnungsabschnitt (23) mit zum ersten bzw. zweiten Abschnitt (53 bzw. 54) des Abstandhalters (5, 5a, 5b, 5c) korrespondierenden Querschnittsflächen (D1, D2) aufweist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (5, 5a, 5b, 5c) durch Translation (T1) in der Aufnahmeöffnung (21 , 21a, 21b, 21c) des Wärmekollektors (2) von dem ersten Öffnungs-Abschnitt (22) zu dem zweiten Öffnungs-Abschnitt (23) seine Anlagefläche mit dem Wärmekollektor von einer Aufsitzfläche (51) des zweiten Abschnitts (54) zu einer Aufsitzfläche (52) des dritten Abschnitts (55) ändert.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (V1) 5 bis 20mm, insbesondere 7 bis 15mm, beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abstand (V2) 5 mm oder weniger beträgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekollektor (2) als Spundwand mit mindestens einer planen Anlagefläche (20) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) als Rechteckrohr mit mindestens einer planen Anlagefläche (30) zur Anlage an den Wärmekollektor (2) ausgebildet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (3) im Bereich von einem Einlass (31) und einem Auslass (32) des Wärmetauschers (3) eine Wärmeisolierung (4) angeordnet ist bzw. wird, insbesondere als Rohreinsatz mit einer durchgehenden Öffnung (4').
Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (31) und/oder der Auslass (32) nach dem thermodynamischen Fügen mit einem einen Anschlussflansch aufweisenden Deckel (4") verschlossen wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzlot eine für Feuerverzinken geeignete Zinklegierung und/oder der Wärmekollektor (2) und der Wärmetauscher (3) aus einer feuerverzinkbaren Stahlsorte gefertigt sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche (D2) des mindestens einen Abstandshalters (5, 5a, 5b, 5c) so dimensioniert ist, dass die auslegungsbestimmenden Querkräfte zwischen Absorber und Kollektor beim Einbringen des Wärmeübertragers in ein Erdreich die Abschergrenzkraft des Abstandshalters (5, 5a, 5b, 5c) nicht überschreiten.
Verfahren zum Betrieb eines nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Wärmeübertragers (1), dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertragungsmittel im Wärmetauscher (3) Wasser, insb. ohne Zusatz von Additiven, eingesetzt ist.