DE202007008709U1

DE202007008709U1 - Thermischer Wandler

Info

Publication number: DE202007008709U1
Application number: DE202007008709U
Authority: DE
Original assignee: ULTRASONICS STECKMANN GmbH
Current assignee: ULTRASONICS STECKMANN GmbH
Priority date: 2007-06-19
Filing date: 2007-06-19
Publication date: 2007-11-08
Anticipated expiration: 2017-06-20
Also published as: WO2008155012A1

Abstract

Thermischer Wandler
– mit mindestens einem ein Wärmeträgermedium aufnehmenden Rohr und
– mit einem an einer Fixierfläche auf der Außenseite des Rohrmantels stoffschlüssig fixierten Wandlerblech
dadurch gekennzeichnet,
dass der der Fixierfläche radial gegenüberliegende Bereich des Rohrmantels derart in Richtung auf die Fixierfläche eingedrückt ist, daß die radial einander gegenüberliegenden Innenflächen des Rohrmantels aneinander liegen und als Angriffstasche für eine Sonotrode auf der dem Wandlerblech abgewandten Seite der Fixierfläche eine muldenartige Einformung in dem der Fixierfläche radial gegenüberliegenden Bereich des Rohrmantels bilden.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Wandler, insbesondere einen Solarkollektor.
Solarkollektoren werden zur Umwandlung von Sonneneinstrahlung in Wärme eingesetzt, d.h. zur Nutzung der Sonnenenergie für Heizzwecke, wobei sich dies je nach Anwendung beispielsweise auf Raumheizung sowie auf die Warmwasseraufbereitung beziehen kann. Dazu werden Wandlerbleche, die dazu ausgelegt sind, die Sonneneinstrahlung in Wärme umzuwandeln, mit einer Anzahl von Rohren verbunden, die eine Flüssigkeit leiten. Die auf diese Weise gegenüber dem Ursprungszustand erwärmte Flüssigkeit wird durch ein Rohrleitungssystem zu einer Verwertungsstelle transportiert, an der die Wärme auf geeignete Art und Weise der Flüssigkeit entnommen wird.
In der Fertigung solcher Solarkollektoren werden üblicherweise die Wandlerbleche, die die Sonneneinstrahlung in Wärme umwandeln sollen, mit einer Anzahl von Rohren verbunden. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, sollte diese Verbindung sowohl über eine vorgegebene Mindestfläche verfügen sowie dauerhaft ausgeführt sein.
Die Verbindung der beiden Werkstücke miteinander, in diesem Fall des Wandlerblechs mit dem Rohr, geschieht nach aktueller Technik durch einen Ultraschweiß-Vorgang, da das Ultraschall-Schweißen gegenüber anderen Techniken erhebliche Vorteile bietet.
Im Ultraschall-Schweißverfahren werden in einer Ultraschall-Schweißstation zwei miteinander zu verbindende metallische Werkstücke, in diesem Fall ein Wandlerblech und ein Rohr, das im späteren Einsatz die Wärme transportierende Flüssig keit aufnehmen soll, durch eine Anpresskraft zusammengepresst. Diese Anpresskraft wird durch eine Sonotrode auf die zu verschweißenden Werkstücke aufgebracht, indem sie auf einer Seite der zu bildenden Kontaktfläche aufliegt, nach konventioneller Fertigung auf dem Wandlerblech, an das rückseitig das genannte Rohr angedrückt wird. Gleichzeitig mit dem Anpressdruck unterliegt die Sonotrode der Einwirkung von hochfrequenten Schwingungen, die üblicherweise eine Frequenz von 20 kHz aufweisen, so dass die beiden Werkstücke an ihrer Kontaktgrenze, also in dem Bereich, in dem sie Kontakt zueinander haben, mit großer Schwerkraft aneinander gerieben werden.
Die mechanischen Schwingungen einer Sonotrode werden auf das obere der zu verbindenden Metallteile, in diesem Fall das Wandlerblech, in der horizontalen Achse eingebracht, wobei die Sonotrode mit einem durch eine Pneumatik erzeugten, vorgegebenen Kraft auf die Oberfläche des Oberteiles herabgesenkt wird. Diese Kraft wird während des Ultraschall-Schweißvorgangs konstant beibehalten.
Sehr große Verformungen sind die Folge der hochfrequenten Reibungsbewegung der zu verbindenden Metallteile in der Kontaktzone. Diese Beanspruchung der Metalloberfläche führt zu einem wellenförmigen und in extremen Fällen zu einem wirbelförmigen Relief der Kontaktgrenze und zu mechanischen Verzahnungen bzw. Verhackungen der Paarungskomponenten. Dies spielt eine positive Rolle für die Haftfestigkeit beim Ultraschall-Schweißen, das heißt dem Verbinden der Metalle durch dieses Verfahren.
Durch die hochfrequente Scherkraft entsteht ein dichter Kontakt reiner Metalle, zwischen deren Oberfläche eine Zusammenwirkung möglich ist, wobei es sich nicht um identische Metalle handeln muss, sondern auch verschiedene Metalle miteinander verbunden werden können. Durch die hochfrequente Scherkraft werden aber auch die Oxidschichten und Unreinigkeiten an den Metalloberflächen zerstört, zerkleinert und aus der Fügefläche geschleudert oder zumindest bis zum Rand transportiert.
Das bedeutet, daß an der Auflagefläche der Sonotrode am Wandlerblech eine geringe Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie stattfinden kann, da die Oberfläche nicht die erforderliche Absorption aufweist. Der Wirkungsgrad des Solarkollektors wird daher durch die Zerstörung der Oberflächenstruktur im Kontaktbereich in erheblichem Maße reduziert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Wandler, insbesondere Solarkollektor, anzugeben, der einen geringen Verlust der Oberflächenwirkung und somit eine möglichst geringe Reduzierung des Wirkungsgrades aufzeigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der der Fixierfläche radial gegenüberliegende Bereich des Rohrmantels derart in Richtung auf die Fixierfläche eingedrückt ist, dass die radial einander gegenüberliegenden Innenflächen des Rohrmantels aneinander liegen und als Angriffstasche für eine Sonotrode auf der dem Wandlerblech abgewandten Seite der Fixierfläche eine muldenartige Einformung in dem der Fixierfläche radial gegenüberliegenden Bereich des Rohrmantels bilden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Streifenbildung, die durch den Andruck der Sonotrode und der zerstörerischen Auswirkung auf die wirksame Oberfläche des Wandlerblechs durch den Ultraschallschweißvorgang entsteht, vermieden werden kann, indem die Sonotrode rohrseitig, also auf der der wirksamen Oberfläche des Wandlerblechs gegenüberliegenden Seite, angreift.
Um eine möglichst hohe Ausnutzung der Sonneneinstrahlung und Umsetzung in Wärmeenergie zu erreichen, ist der Rohrmantel vorteilhafterweise derart eingedrückt, dass eine Mehrzahl von Mulden entsteht, in denen die beiden Seiten des Rohrmantels Kontakt zueinander haben und sowohl miteinander als auch mit dem Wandlerblech verschweißt werden können.
Damit für den Ultraschall-Schweißvorgang eine herkömmliche Sonotrode verwendet werden kann, ist die Verformung des Rohres vorteilhafterweise derart vorzusehen, dass in Abhängigkeit von der Höhe der durch die Verformung entstehenden Kanäle und dem Winkel der Kanalwände genügend Platz für den Einsatz einer Sonotrode zum Aufsetzen auf in optimaler Ausführung jedem der duch die Kanäle entstehenden Täler zur Verfügung steht.
Um einen möglicht hohen Wirkungsgrad des Wandlerblechs für die Aufnahme von Sonneneinstrahlung zu erzielen, weist die Oberfläche vorteilhafterweise eine durchgehende, zerstörungsfreie Oberfläche auf.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die gesamte Fläche des Wandlerblechs zur Umwandlung von Sonneneinstrahlung in Wärme genutzt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
1 einen repräsentativen Ausschnitt aus einem Solarkollektor konventioneller Bauart im Schnitt,
2 einen Ausschnitt aus einem Wandlerblech eines Solarkollektors in Draufsicht,
3 eine Sonotrode in dreidimensionaler Ansicht,
4 einen Ausschnitt aus einem Solarkollektor mit einem veränderten Rohr im Schnitt,
5 ein Rohr im Querschnitt in ursprünglicher und veränderter Form nach Verformung,
6 den gleichen Ausschnitt wie 4, jedoch mit einer optimierten Form des Rohres, und
7 einen Ausschnitt aus einem Solarkollektor mit einem mehrkanaligen Rohr im Schnitt.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen.
Die 1 zeigt in einem repräsentativen Ausschnitt die wesentlichen Bestandteile eines Solarkollektors 1, der auf konventionelle Art und Weise hergestellt wird. Das Wandlerblech 2 liegt auf dem Rohr 4 auf. Eine hier nicht dargestellte Sonotrode setzt oben auf dem Wandlerblech 2 auf und übt in der durch einen Pfeil dargestellten Richtung einen Anpressdruck auf eine Kontaktfläche 6 des Wandlerbleches 2 zum Rohr aus. Dieser Anpressdruck beträgt ungefähr zwanzig bis fünfzig kp.
Zudem unterliegt die Sonotrode hochfrequenten Schwingungen mit einer Frequenz von ungefähr 20 kHz, die zu einer Kontraktion und Extraktion des hochelastischen Stahls, aus dem die Sonotrode gefertigt ist, mit einer Amplitude von ungefähr 30 bis 40 μ der Sonotrode führen, so dass das Wandlerblech 2 und das Rohr 4 an ihrer Kontaktgrenze 6, also in dem Bereich, in dem sie Kontakt zueinander haben, mit großer Scherkraft aneinander gerieben werden. Dieser Bereich wird durch die Längsachse des Rohres 4, auf dessen höchster, dem Wandlerblech 2 nächstliegender Stelle, die Sonotrode während des Schweißvorgangs entlanggeführt wird, bestimmt. Durch diesen Vorgang werden die beiden Werkstücke dauerhaft miteinander verbunden.
Durch diese Art der Verschweißung entsteht ein Verlust des Wirkungsgrades des Solarkollektors 1, wie die 2 zeigt, da das Wandlerblech 2 an seiner Oberseite an der Kontaktfläche 6 zum Rohr 4 eine Zerstörung der Oberflächenstruktur durch die Riffelung der Sonotrode und die schwingungsabhängige Seitwärtsbewegung der Sonotrode auf dem Wandlerblech 2 aufweist. Je nach Größe und Ausführung des Solarkollektors 1 kann der Verlust des Wirkungsgrades bei 0,5 bis 5% von der Gesamtleistung liegen.
Die 3 zeigt die Ursache für die Oberflächenzerstörung, nämlich eine Sonotrode 8, auf deren Kontaktfläche 10 zum Werkstück eine umlaufende Riffelung zu sehen ist. Diese Riffelung ist notwendig, um über den Anpressdruck einen Formschluss zum Werkstück, dem Wandlerblech 2 oder dem Rohr 4, aufzubauen und das Werkstück durch die Verzahnung in eine Seitwärtsbewegung zu versetzen und schwingungsabhängig mitzunehmen.
In der 4 wird eine Möglichkeit zur Umgehung der Nachteile der Fertigung nach konventioneller Bauart aufgezeigt: Das Rohr 4 liegt auf dem Wandlerblech 2 auf, nachdem es, wie die 5 zeigt, einen Querschnittveränderungsprozeß durchlaufen hat: Die gestrichelte Linie in 5 beschreibt das Rohr 4 im ursprünglichen Zustand, wohingegen die durchgezogene Linie den Rohrmantel 4 nach erforderlicher Krafteinwirkung und Verformung zeigt. Es entsteht eine Kontaktfläche 10 im Rohr selber zwischen dem Rohrmantel und er ihm radial gegenüberliegenden Bereich des Rohrmantels, die über eine erste Verschweißung durch die Sonotrode die obere Kontaktfläche des Rohres 4 mit der radial gegenüberliegenden verschweißt.
Dadurch entstehen zwei Kanäle, die später das Wärmeträgermedium transportieren. Um eine vorgegebene Durchflussmenge sicherstellen zu können, ist das ur sprüngliche, zu verformende Rohr 4 mit einem größeren Querschnitt zu wählen als das in der konventionellen Fertigung verwendete, in der Urspungsform mit einem kreisförmigen Querschnitt belassene, Rohr 4.
Nachdem das Rohr 4, wie in der 5 gezeigt, verformt und verschweißt ist, kann es für die Fertigung des Solarkollektors nach 4 verwendet werden. Die Sonotrode 8 setzt in der Vertiefung des Rohres 4 zwischen den einzelnen Kanälen auf der Kontaktfläche 6 zum Wandlerblech 2 auf und verschweißt das Rohr 4 mit dem Wandlerblech 2.
Dadurch entsteht rohrseitig eine Oberflächenzerstörung auf der Kontaktfläche, allerdings bewirkt diese Zerstörung keinen Verlust des Wirkungsgrades. Die Oberflächenstruktur des Wandlerbleches 2 bleibt erhalten, womit eine Nutzung der Gesamtoberfläche für die Umwandlung der Sonneneinstrahlung in Wärme möglich ist.
Die 6 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Rohres 4 für die Nutzung in einem Solarkollektor auf. Das Rohr 4 wird gegenüber dem Ursprungszustand derart verformt, dass zum einen eine Kontaktfläche 6 entsteht, die eine Ultraschallverschweißung des Rohres 4 mit dem Wandlerblech 2 ermöglicht, zum anderen aber eine weitere Kontaktfläche durch Anliegen einer möglichst großen flachen Aufstandsfläche des Rohres 4 an das Wandlerblech 2 entsteht. Dadurch erfolgt eine schnellere Erwärmung des in den Rohren transportierten Wärmeträgermedium, beispielsweise eines Fluids oder einer Flüssigkeit, was zu einer möglicheren höheren Durchflußgeschwindigkeit und/oder zu einer höheren Erwärmung und somit zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt.
Eine weitere mögliche Ausführungsform stellt die 7 dar. Das Rohr 4 wird im Vorbereitungsprozeß derart verformt, dass nicht nur zwei Kanäle, wie in 4 bis 6 dargestellt, sondern mehrere Kanäle entstehen. Dadurch entstehen ebenfalls mehrere Kontaktflächen 6 zum Wandlerblech 2, an denen eine Verschweißung stattfinden kann. Die Folge davon ist eine Vergrößerung der Gesamtkontaktfläche sowie eine höhere Umwandlungsrate und somit ein besonders hoher Wirkungsgrad des Solarkollektors 1.

1: Solarkollektor
2: Wandlerblech
4: Rohr
6: Kontaktfläche Wandlerblech-Rohrmantel
8: Sonotrode
10: Kontaktfläche Rohrmantel-Rohrmantel

Claims

Thermischer Wandler – mit mindestens einem ein Wärmeträgermedium aufnehmenden Rohr und – mit einem an einer Fixierfläche auf der Außenseite des Rohrmantels stoffschlüssig fixierten Wandlerblech dadurch gekennzeichnet, dass der der Fixierfläche radial gegenüberliegende Bereich des Rohrmantels derart in Richtung auf die Fixierfläche eingedrückt ist, daß die radial einander gegenüberliegenden Innenflächen des Rohrmantels aneinander liegen und als Angriffstasche für eine Sonotrode auf der dem Wandlerblech abgewandten Seite der Fixierfläche eine muldenartige Einformung in dem der Fixierfläche radial gegenüberliegenden Bereich des Rohrmantels bilden.
Thermischer Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrmantel derart eingedrückt ist, daß er eine Mehrzahl von muldenartigen Einformungen aufweist.
Thermischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle muldenartigen Einformungen derart bemessen sind, dass sie als Angriffstasche Platz für eine Sonotrode aufweisen.
Thermischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerblech auf der den Rohren abgewandten Seite eine durchgehende Oberflächenstruktur aufweist.