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Thermische,
flache Sonnenkollektoren (Flachkollektoren) bestehen üblicherweise
aus einem ungefähr quader- oder wannenförmigen
Gehäuse, in das ein Absorber, gewöhnlich eine
flächige Absorberplatte, parallel zur Rückwand
eingebracht ist und welches vorne mit einer zum Absorber und zur
Rückwand parallelen, transparenten Glas- oder Kunststoffscheibe
abgedeckt ist. Der Absorber dient zum Umwandeln des Sonnenlichtes
in Wärme und ist heute üblicherweise, um einen
hohen Kollektor-Wirkungsgrad zu erzielen, mit einer selektiven Beschichtung
ausgestattet (definiert durch geringe thermische Abstrahlung (Emissionsgrad < 0,15 bei Temperaturen
von ca. 100°C) und hohe Absorption (Absorptionsgrad > 0,8) für
das durch die Abdeckung transmittierte Sonnenlicht). Aber auch unselektive
Absorber mit lediglich hohem Absorptionsgrad, meist aus Kunststoff,
werden für Niedertemperaturanwendungen, z. B. Schwimmbaderwärmung
oder Brauchwasser-Vorerwärmung verwendet Bisher können
stabile und preiswerte selektive Schichten nur auf Metall realisiert
werden, weshalb der Absorber höherwertiger und effizienterer
Kollektoren gewöhnlich aus Metall ausgeführt ist.
Auch hat ein Metallabsorber den Vorteil sehr guter Wärmeleitfähigkeit,
was für die Wärmeabfuhr vom Absorber auf das Wärmeträgermedium
vorteilhaft ist. Der Absorber steht üblicherweise in Wärme
leitendem Kontakt zu einem solchen Wärmeabfuhrsystem, gewöhnlich
bestehend aus mehreren Rohrleitungen, welches normalerweise, z. B. über
Sammelrohre an zwei Stellen, den so genannten Durchführungen.
in das Gehäuse ein- bzw. austritt. Zwischen Absorber und
Abdeckung bzw. Rückwand des Gehäuses besteht gewöhnlich
ein Abstand von einigen Zentimetern. Oft wird (z. B. stranggepresstes)
Aluminium als Gehäusematerial verwendet. In das Gehäuse
wird üblicherweise zwischen Absorber und Rückwand
eine Festkörper-Dämmung, z. B. aus Mineralfaser,
eingelegt, auf welcher der Absorber gewöhnlich lagert.
Diese Dämmung unterdrückt zwar die Wärmeverluste
des Absorbers nach hinten (vor allem Luftkonvektion) und erhöht
dadurch die Wärmeausbeute des Kollektors, ist aber schwer,
kostenintensiv und schwierig in der Verarbeitung (Reizung von Haut,
Augen und Atmungsorganen durch Mikrofasern). Auch kann sie im realen
Betrieb feucht werden, wodurch die Wärmeisolationswirkung
stark nachlässt. Weiterhin können aufgewirbelte
Fasern die Transparenz der Abdeckung und die übliche selektive
Absorberbeschichtung beeinträchtigen. Heute eingesetzte
Dämmungen haben typische effektive Gesamtwärmeleitungen von
etwa 0,035–0,05 W/mK. Ruhende Luft hat hingegen nur eine
Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,03 W/mK, jeweils
im Kollektorbetrieb bei warmem Absorber (ca. 50–120°C).
Gelingt es also, durch geeignete preiswerte Maßnahmen,
die Luftkonvektion hinter dem Absorber, auch ohne Festkörperdämmung,
weitgehend oder ganz zu unterdrücken, so kann, bei etwa gleicher
Dämmwirkung und besserer Wirtschaftlichkeit auf die Mineralwolldämmung
verzichtet werden. Die durch die Dämmung noch zusätzlich
reduzierten Wärmestrahlungsverluste sind verglichen mit
den Konvektionsverlusten nur gering, typischerweise weniger als
25%. Grund ist nach der bekannten Theorie der Wärmestrahlung
zwischen ebenen Platten (z. B. J. Fricke, W. Borst, Energie, Oldenbourg
Verlag, 1991) der niedrige Emissionsgrad der üblicherweise aus
Metall (Cu, Al) gefertigten Absorber.
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Generell
ist die Herstellung der herkömmlichen, wannenartigen Gehäuse
zeitintensiv, da, z. B. im Falle von Aluminium, erst die 4 seitlichen
Strangpressprofile abgelängt, dann zusammengefügt
und an eine Rückwand montiert werden müssen. Anschließend
wird die Mineralwolledämmung eingelegt, die üblicherweise
einen Großteil des Raumes zwischen Absorber und Rückwand
einnimmt. Zudem ist Aluminium in der Herstellung sehr energieintensiv, Umwelt
belastend und teuer. Auch Mineralwolle stellt mit Kosten von ca.
3–5 EUR/m2 pro Kollektor einen nicht zu vernachlässigenden
Teil der gesamten Produktionskosten eines Kollektors von typischerweise 30–50
EUR/m2 dar. Wegen der vielen Arbeitsschritte zur
Herstellung des Gehäuses ist die Automatisierung der Herstellung
sehr kostenintensiv, da viele Maschinen bzw. viel Personal benötigt
werden.
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Gegenstand
der Erfindung ist es, ein Gehäuse für thermische
Sonnenkollektoren anzugeben, das, bei vergleichbarer oder besserer
Dämmwirkung, ohne rückseitige konventionelle Festkörperdämmung zwischen
Absorber und Rückwand auskommt und in weniger Arbeitsschritten
und mit weniger Material- und Primärenergieaufwand, sowie
aus billigeren (Kunststoff-)Materialien hergestellt werden kann
als übliche Gehäuse von heutigen Flachkollektoren.
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Stand der Technik, bisherige Arbeiten
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Hauptaufgabe
eines Kollektorgehäuses ist die Lagerung und Wärmeisolation
des Absorbers. Die Gehäuse heutiger Flachkollektoren werden hauptsächlich
unter Verwendung metallischer Werkstoffe, oft aus Aluminium oder
einer Aluminiumlegierung hergestellt: Zunächst wird dabei
ein Rahmen, meist aus 4 einzeln zugeschnittenen (oftmals Aluminiumstrangpress-)Profilen
zusammengebaut und in diesen eine Rückwand (oft ein Aluminiumblech)
eingesetzt. Als Wärmeisolierung zwischen Absorber und Rückwand
wird zumeist eine Festkörperplatte/-matte, gewöhnlich
aus Mineralwolle verwendet, die diesen Raum in der Regel komplett
ausfüllt und auf der der Absorber lagert. Einige Kollektoren
werden auch aus tief gezogenen Aluminium-Gehäusen hergestellt,
in die ebenfalls eine Mineralwolledämmung eingelegt wird.
Metallische Gehäuse sind jedoch primärenergieaufwendig
in der Herstellung und wegen der seit einigen Jahren weltweit dramatisch steigenden
Nachfrage nach Metallen immer kostenintensiver. Alternativ wurden
bereits Kunststoffgehäuse vorgeschlagen, diese sollten
aber mechanisch stabil sein und den an ihnen real auftretenden Maximaltemperaturen
von bis zu 150°C standhalten, ohne sich dabei plastisch
zu verformen. Auch ist ein Ersatz der schweren, teuren und mit Nachteilen
bei der Verarbeitung verbundenen Mineralfaserplatten als Rückisolation,
wünschenswert.
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In
DE 19710642 A1 (1998)
wird ein Kunststoffgehäuse aus PU-Profilen vorgeschlagen.
Durch die guten Wärmedämmeigenschaften von PU-Schaum
kann bei dieser Rahmenkonstruktion zwar auf eine zusätzliche
konventionelle Wärmedämmung verzichtet werden.
Der Zusammenbau des Rahmens ist jedoch zeit- und damit kostenaufwendig,
da die einzelnen Profile nach wie vor erst zusammengefügt
werden müssen. Außerdem ist für eine adäquate
Wärmeisolation mit PU Schaum ein höherer Material-
und Gewichtsaufwand zu leisten als bei der im Rahmen der vorliegenden
Erfindung angestrebten Lösung einer Isolation durch (nahezu)
ruhende Luft und möglichst geringen Einsatz von Kunststoff.
Auch ist die Temperaturbeständigkeit von PU zu gering.
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In
DE 203 20 222 U1 (2004)
wird ein Gehäuse vorgestellt, in das Membranen eingebracht
sind, um die luftkonvektive Wärmeübertragung vom
Absorber auf die Abdeckung und auch auf die Rückwand des
Gehäuses zu vermindern. Die Luftkammern werden durch teilweise
transparente Membranen in horizontale und/oder vertikale Räume
unterteilt. Das Gehäuse wird hierbei jedoch konventionell aus
4 vertikalen Rahmenprofilen und einer Rückplatte gebildet,
die auch wieder in einzelnen aufwendigen Arbeitsschritten verbunden
werden müssen. Auch sind Membranen und das Gehäuse
nicht aus einem Material und einem Stück gefertigt. Daher
ist auch die Langzeitstabilität an der Verbindungsstelle
von Gehäuse und Membran fraglich, der Material und Fertigungsaufwand
ist hoch. Zudem kann eine dünne Membran, wegen fehlender
mechanischer Stabilität, bei thermischer Ausdehnung den
Absorber berühren und dabei durch zu hohe Temperaturen
zerstört werden.
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Die
gleichen Schwachpunkte weist auch die
DE 203 19 299 U1 (2004)
auf, in der ein flexibles Gehäuse für einen Solarkollektor
vorgestellt wird. Als rückseitige Wärmeisolation
wird eine Membran, die nachträglich eingelegt wird, aus
transparentem PE Membranmaterial oder Isolierpapier vorgeschlagen. Auch
hier ist die Temperaturbeständigkeit zu gering (PE) und
der Brandschutz scheint fraglich (Papier).
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In
den oben dargestellten Patenten werden zwar alternative Wärmeisolationen
des Absorbers und der Einsatz von Kunststoffen für das
Kollektorgehäuse und die Wärmeisolation vorgeschlagen.
Das Gehäuse wird aber weiterhin in aufwendigen Arbeitsschritten
aus 4 Einzelprofilen und einer Rückplatte zusammengefügt
in das dann entweder eine alternative Wärmeisolation eingebracht
wird oder bei dem der Rahmen selbst aus einem Material mit guten Wärmedämmeigenschaften
gefertigt ist und somit die Wärmeisolation darstellt. Insgesamt
ist der Material- und Fertigungsaufwand zu hoch, die mechanische
und Temperaturstabilität wegen der verschiedenen verwendeten
Materialien fraglich.
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Aus
der
DE 20102503 U1 (2001)
ist ein gasdichtes Gehäuse bekannt, das aus Kunststoff
gefertigt ist, aus einem Teil besteht und ebenfalls auf die konventionelle
Mineralwolledämmung verzichtet und stattdessen eine Edelgasfüllung
oder eine Evakuierung vorschlägt. Eine Evakuierung ist
aber mit großen mechanischen Problemen verbunden und erfordert,
ebenso wie eine Edelgasfüllung höchste Gasdichtigkeit,
da ansonsten nach kürzester Zeit, wie z. B. die Praxis
bisheriger evakuierter Flachkollektoren (z. B. Fa. thermosolar,
Regensburg, 80er und 90er Jahre) beweist, Luftkonvektion im Kollektor
stattfindet und damit die Wärmeisolation vermindert ist.
Die Evakuierung und die mit ihr verbundene notwendige Abstützung
der Abdeckung und der Rückwand gegeneinander oder gegen
den Absorber, erfordert, abgesehen von teuren Vakuumpumpen und teurer
Vakuumtechnik, ein teures mechanisches Stützgerüst, oberhalb
und unterhalb des Absorbers, das mit optischen und thermischen Verlusten
verbunden ist. In der Patentschrift ist jedoch nur eine mechanische Versteifung
des Bodens durch Rippen vorgesehen, welche nicht ausreichend ist.
Eine Implosion ist mit unabsehbaren Folgen verbunden. Bei Einsatz
von Edelgasfüllungen bei Normaldruck, also ohne Evakuierung,
ist ebenfalls eine hohe Gasdichtigkeit erforderlich, insbesondere
an der Verbindung Gehäuse-Glasscheibe und vor allem an
der Durchführung der mit dem Absorber verbundenen Wärmeträger-Fluidrohre
durch das Gehäuse. Dies erfordert eine teure und langlebige
(20 Jahre!), UV- und witterungsbeständige Dichtungstechnik,
sowohl was Material, als auch Ausführung der Dichtung betrifft.
Zudem ergeben sich durch thermische Ausdehnung der heißen
Bauteile und des Gases im Betrieb hohe Belastungen für
das Dichtungsmaterial, die über die Jahre zu Undichtigkeiten
und damit, wegen der treibenden Partialdrücke, zum Eindringen
von Luft und zum Entweichen von Füllgas führen,
was zum Verlust der Isolationswirkung führt. Auch sind
geeignete Füllgase teuer und es werden, ohne Evakuierung,
mehr als 100 Liter für Flachkollektoren üblicher
Größe (2 m × 1 m × 0,05–0,1
m) benötigt. Insgesamt ist der Kollektor also unökonomisch
und seine Isolationswirkung nicht langzeit- und temperaturstabil.
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Aufgabe der Erfindung
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es, ein wirtschaftliches Kunststoffgehäuse
für eine thermische Sonnenkollektoren mit integrierter
Dämmung anzugeben, das aus möglichst wenigen Teilen
und aus möglichst wenigen unterschiedlichen Materialien besteht
und daher in wenigen Schritten hergestellt und montiert werden kann.
Es soll einen geringen Gewichts-, Material- und Primärenergieaufwand
aufweisen und, bei gleicher Dämmwirkung, eine konventionelle
Mineralwolldämmung überflüssig machen und
somit eine kostengünstige Alternative zu herkömmlichen
Gehäusen darstellen. Ein solches Gehäuse wird
auch, da nur aus einem oder wenigen verwandten Materialien bestehend,
leichter recyclebar sein. Schließlich soll das Gehäuse
langzeitstabil (20 Jahre typische Lebensdauer von Sonnenkollektoren) und
gegen die an ihm auftretenden Betriebstemperaturen, stabil sein,
das heißt, sich nicht plastisch verformen. Schwerpunkt
der Erfindung sind Gehäuse für hocheffiziente,
mit einer selektiv beschichteten Absorberplatte ausgestattete Flachkollektoren,
aber auch für einfache Kollektoren sollen erfindungsgemäße
Ausführungen des Gehäuses verwendet werden können.
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Erfindungsgemäße
Aufgabenlösung
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Hauptaufgabe
eines Kollektorgehäuses ist die Lagerung und Wärmeisolation
des Absorbers. Das üblicherweise wannenförmige
Gehäuse wird hierfür, anders als bei heutigen
Sonnenkollektoren, deren Gehäuse üblicherweise
aus immer teureren metallischen Werkstoffen und mehreren Teilen
gefertigt wird, aus preiswertem und robustem Kunststoff hergestellt.
Anstatt durch eine konventionelle Isolation, die Nachteile aufweist,
siehe Kapitel „Problematik und Gegenstand der Erfindung",
werden die (vor allem konvektiven) Wärmeverluste zwischen
Absorber und Rückwand nach der allgemein bekannten Theorie
der Konvektion (z. B. O.G. Martynenko, P.P. Khramzsov, Free
Convective Heat, Transfer Springer Verlag, Berlin, 2005,
im weiteren als [1] bezeichnet) durch Aufteilen des Raumes zwischen
diesen Bauteilen in mehrere Luftkammern reduziert. Dies geschieht
mit Hilfe von (mit dem Gehäuse fest verbundenen) Kunststoffteilen
(Anspruch 1), die idealerweise aus demselben Material und zusammen
mit den restlichen Teilen des Gehäuses aus einem Stück
gefertigt werden (Anspruch 2). Dies spart Arbeitsschritte und Kosten
in der Fertigung und erhöht die mechanische Stabilität
und Langlebigkeit des Gehäuses.
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Zur
möglichst weiten Verbreitung und künftigen Marktdurchdringung
sollte ein solches Gehäuse vorteilhaft in der Lage sein,
auch hocheffizienten, mit selektiven Schichten ausgestatteten (Anspruch
3), heute meist flächigen (Anspruch 4) und oft aus selektiv
beschichteten Metallplatten (Anspruch 5) bestehenden Absorbern Wärmeisolation
und Lagerung zu bieten. Dies stellt aber Bedingungen für
die Temperaturbeständigkeit und die Konstruktion, siehe
spätere Ansprüche. Wenn in naher Zukunft auch
eine langzeitstabile wirtschaftliche selektive Kunststoffbeschichtung
sowie ein einigermaßen gut Wärme leitender Kunststoff
existieren wird, werden hocheffiziente Absorber sicher zukünftig
auch zu einem Teil aus selektiv beschichtetem Kunststoff hergestellt werden.
Nicht selektive Kollektoren werden dann seltener sein. Auch ist
es denkbar, dass selektive, oder zumindest hoch absorbierende preiswerte
Flüssigkeiten entwickelt werden können, die als
Absorber dienen. Damit bestünde entweder der selektive
Absorber aus für das Sonnenlicht transparenten Rohrleitungen,
gefüllt mit eben dieser selektiven Flüssigkeit,
oder aus der absorbierenden Flüssigkeit in Kombination
mit einer niedrig emittierenden (low-e) Beschichtung der Rohrleitungen.
Ein beschichteter Festkörperabsorber aus Metall oder Kunststoff
wäre nicht mehr notwendig und der Wärmeübergang
auf das Wärmeträger-Fluid wäre optimal.
Ein solcher selektiver Absorber wäre auch auf einfachste
Weise stillstandsicher: Indem nämlich, bei Stagnation oder zu
hohen, die Solaranlage schädigenden Temperaturen, durch
Entfernen der Flüssigkeit aus den Fluidrohren die Wärmeabsorption
aus dem Sonnenlicht drastisch reduziert wird. Anschließend,
bei wieder vorhandener Wärmeabnahme wird die Flüssigkeit wieder
eingefüllt (drain back system). Auch in all diesen angeführten,
vor allem in der Zukunft zu erwartenden Fälle soll das
erfindungsgemäße Gehäuse zur Lagerung
und Wärmeisolation des Absorbers dienen können.
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Die
mechanische Stabilität des Gehäuses wird vorteilhaft
vergrößert, wenn die Seitenwände und/oder
die Rückwand ganz oder teilweise, z. B. auf der Außenseite,
mit Rippen versehen ist oder eine geeigneten Struktur aufweist,
Anspruch 6
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Besonders
vorteilhaft, weil den Absorber besser Wärme isolierend
zur Seite und nach hinten hin, ist es, die Seitenwände
oder die Rückwand aus mehreren Wänden, z. B. doppelwandig,
z. B. aus parallelen Wänden oder Stegplatten, mit einem
oder mehreren, idealerweise abgeschlossenen Lufträumen
dazwischen zu gestalten. (Ansprüche 7 und 8), 2.
Vorteil dieser Ausführung ist auch, dass die für
die mechanische Festigkeit des Gehäuses wesentlichen Außenwände
nicht so heiß werden.
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Besonders
vorteilhaft ist auch es, wenn die Seitenwände des Gehäuses
zusätzlich so ausgestaltet sind (1), dass
sie zur mechanischen Halterung der transparenten Abdeckung, meist
einer Glasscheibe, mit Hilfe einer geeigneten, zwischen Gehäuse
und Abdeckung noch einzubringenden Dichtung (z. B. ein umlaufendes
Dichtungsband aus einem geeignetem Kunststoff oder ein elastischer
Kleber) dienen können, denn damit besteht ein Großteil
des Kollektors aus einem einzigen Kunststoffbauteil. (Anspruch 9).
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Die
Ausbildung der Konvektion hängt von der Rayleighzahl Ra
ab, der konvektive Wärmeübergang von der Nusseltzahl
Nu(Ra) und dem typischen Abstand des Wärmeübergangs
[1]. Nu(Ra) wiederum ist stark von den Temperaturen und der Geometrie
abhängig. Nach der Theorie der Konvektion [1], angewandt
auf Sonnenkollektoren, wird der Wärmeübergang
durch das Gas (Luft) verringert, wenn man den Raum zwischen Absorber
und Gehäuserückwand (1), der bei heutigen Sonnenkollektoren
typischerweise mehrere Zentimeter hoch und jeweils etwa 1–2 m
lang bzw. breit ist, erfindungsgemäß durch Kunststoffteile
in kleinere Unterräume unterteilt, deren Größe,
nach der Theorie der Konvektion für heute übliche
Sonnenkollektoren, zumindest in einer Dimension ca. 5–20
mm betragen sollte (Anspruch 10).
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Eine
fertigungstechnisch einfach zu realisierende Geometrie stellen eine
oder mehrere parallel zum Absorber eingebrachte dünne Wände
dar, Anspruch 11. Die Abstände zwischen den Wänden
untereinander und zu Absorber bzw. Rückwand sollen alle
zwischen 5 und 20 mm liegen, Anspruch 12. Diese Variante hat auch
den Vorteil gegenüber der Ausbildung von senkrechten Wänden,
siehe Anspruch 13, dass sie keine zusätzliche Wärmebrücke
durch Festkörperkontakt zwischen Absorber und Rückwand
bildet.
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Ebenfalls
einfach fertigbar sind mehrere senkrecht zur Rückwand und/oder
zum Absorber positionierte Wände, 5a,
oder anders geformte Rippen der Rückwand, mit Abständen
von ca. 5–20 mm untereinander und zu den Seitenwänden,
Anspruch 13. Diese Variante hat den Vorteil, dass der Absorber zumindest
teilweise direkt oder durch Zwischenschaltung von isolierenden Kontaktstücken
auf den Wänden gelagert werden kann, ähnlich wie
bei der konventionellen Mineralwolleisolation, 5a.
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Vorteilhaft
ist auch die Ausgestaltung der Wände mit minimalem Materialaufwand,
das heißt mit möglichst geringer Dicke kleiner
als 3 mm. Dadurch können Materialkosten gespart werden.
Allerdings sollte aus mechanischen Stabilitätsgründen (wie
Vermeidung eines Durchhängens bei Erwärmung) eine
Mindestdicke von 0,3 mm eingehalten werden, Anspruch 14.
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Besonders
vorteilhaft ist auch die Ausstattung der Rückwand, und/oder
Seitenwände und/oder der die zusätzlichen Lufträume
bildenden Wände mit einem Material niedrigen Emissionsgrads
(z. B. Al-Lackieren, oder kaschieren mit Al-Folie), denn dadurch
werden die ohnehin kleinen Wärmestrahlungsverluste weiter
reduziert, Anspruch 15.
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Es
kann auch vorteilhaft sein, ein z. B. wannenförmiges Gehäuse
zunächst nur aus der Rückseite sowie entweder
aus genau 2 gegenüberliegenden (1) oder
aus 3 Seitenwänden und den Kunststoffteilen zur Teilung
des Raumes zwischen Absorber und Rückseite aus einem Stück
und Material zu fertigen. Durch diese in einer Dimension/Richtung
offene Form, kann das Teil in genau dieser Dimension/Richtung in
einer Fertigungsstraße auf einfache Weise in einem Arbeitsschritt
gefertigt, z. B. gegossen oder gezogen werden. Zum Abschluss des
Gehäuses sind dann noch eine bzw. zwei, am besten aus demselben
Material zu fertigende Abschluss-Seitenwände herzustellen
und durch eine geeignete Verbindungstechnik an das Gehäuse
anzubringen, Ansprüche 16 und 17. Denkbar sind Schnapp-
Schraub- Klebe-, Steck-, Klick- oder Klemmverbindungen (Anspruch
18). Diese Verbindung sollte möglichst genauso luftdicht
wie ein heute aus einzelnen Metallprofilen zusammengefügtes
Gehäuse sein, u. a., um die Wärmeverluste zu minimieren.
Dies kann durch die Verwendung geeigneter weicher elastischer Materialien,
wie Kunststoff- oder Gummimaterialien (Perbunan, Viton, EPDM, Kautschuk,
Gummi) oder durch Klebung erreicht werden, Ansprüche 19
und 20. Aufgrund der Dichtung kann dann auch zusätzlich
ein schlecht wärmeleitendes Gas, wie SF6,
Ar, Kr oder Xe in das Gehäuse, oder zumindest in wenigstens
eine der Kammern zwischen Absorber und Rückwand eingebracht
werden, was die rückseitigen Verluste noch einmal deutlich reduziert
(bis zu 50% gegenüber einer konventionellen Isolation sind
möglich, je nach verwendetem Gas), Anspruch 21.
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Vorteilhafterweise
enthält das Gehäuse auch Vorrichtungen zur mechanischen
Halterung des Absorbers. Diese Halterungen können auf der
Rückwand, auf den Seitenwänden oder auf den zur
Konvektionsunterdrückung eingebrachten Strukturen angebracht
bzw. realisiert sein, Anspruch 22. Besonders vorteilhaft ist aber
die Halterung des Absorbers an den, meist in den Seitenwänden
befindlichen Durchführungen der mit dem Absorber fest verbundenen
Wärmeträgerohre durch das Gehäuse durch eine
geeignete Ausformung der Durchführung, Anspruch 23. Wichtig
ist bei einer Absorberhalterung, dass der Absorber an den Stellen
direkten Festkörperkontaktes zum Gehäuse durch
thermisch schlecht leitende Zwischenstücke gegen die Kunststoffteile isoliert
ist (Anspruch 24), damit letztere keine zu hohen Temperaturen aushalten
müssen und damit auch preiswertere Kunststoffe für
das Gehäuse verwendet werden können.
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Zukünftig,
wenn für eine dauerhaft stabile, selektive Beschichtung
geeignete Kunststoffe zur Verfügung stehen, ist es als
besonders vorteilhaft denkbar, dass auch der Absorber aus demselben Kunststoff
wie das Gehäuse und aus einem Stück mit diesem
gefertigt wird (Anspruch 25). Sollte es nicht möglich sein,
eine selektive Beschichtung auf Kunststoff dauerhaft stabil auf
dem Absorber aufzubringen, wird die Reduktion der Wärmestrahlungsverluste
des Absorbers vorteilhaft durch eine Übertragung der Selektivität
auf die Abdeckung und die Ausbildung der Abdeckung als heat mirror
mit reflektierenden Eigenschaften für Wärmestrahlung,
die der Absorber aussendet, und transmittierenden Eigenschaften
für Sonnenlicht, ausgebildet. Der Absorber muss dann nur
für das Sonnenlicht eine hohe Absorption aufweisen, was
heute bereits mit Kunststoffabsorbern möglich ist (z. B.
solare Schwimmbadabsorber), Anspruch 26.
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Weil
die Wärmeübertragung vom Absorber auf das Gehäuse
durch Gaskonvektion und Gaswärmeleitung nicht so effektiv
wie durch Festkörperleitung ist, und die Festkörperleitung
durch geeignete thermische Isolationsstücke, wie in Anspruch
24 formuliert, reduziert werden kann, ist es auch ausreichend für
einen geeigneten Kunststoff, eine höchste Anwendungstemperatur
von oberhalb 80°C zu fordern. Bis zu dieser Temperatur
darf der Kunststoff sich nicht irreversibel plastisch verformen.
Er sollte auch eine möglichst niedrige Wärmedehnung
haben, und auch bei, selbst in mittleren Breiten gelegentlich auftretendem
Frost bis –20°C nicht geschädigt werden,
Anspruch 27.
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Zumindest
die dem Sonnenlicht ausgesetzten äußeren Wände
des Gehäuses sollten mechanisch fest, UV-stabil, feuchtigkeits-
und witterungsstabil sein, am besten jedoch sollte der für
das ganze Gehäuse verwendete Kunststoff diese Eigenschaften aufweisen,
Anspruch 28.
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Mechanisch,
thermisch aber auch preislich geeignet erscheinen besonders faserverstärkte Kunststoffe,
Anspruch 29, wobei die Verstärkung vorteilhaft durch Glasfaser
erfolgt, Anspruch 30. Die verstärkte Kunststoffmatrix soll
dabei aus einem Polyester bestehen, Anspruch 31.
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Gerade
für einfache, robuste und preiswerte, oft nicht selektive,
Niedertemperatur-Kollektoren zur Brauchwasser(vor-)erwärmung
(maximale Kunststofftemperatur < 100°C
im Stillstand) für die Massenproduktion kommen erprobte
und einfach sowie preiswert herstellbare technische Kunststoffe
wie ABS, PA, PC oder PET in Frage, Anspruch 32
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Für
hochwertigere Kollektoren mit speziellen Maßnahmen zur
Wärmeisolation, hochselektiven Absorbern und Temperaturen
bis zu 150°C am Gehäuse sind geeignet: PVDF, EP
Hgw (Glashartgewebe 7 Epoxid), EPDM, TPX, PSU, PES, PEI, aber auch
viele Fluorpolymere, Anspruch 33.
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Für
ein preiswertes Endprodukt sind wirtschaftliche Fertigungsverfahren
für große Stückzahlen notwendig: Am geeignetsten
zur Herstellung von erfindungsgemäßen Gehäusen
mit Luftkammern erscheint das Schlauchextrusionsverfahren, wie es zum
Beispiel bei der Produktion doppelwandiger Schalenkoffer verwendet
wird, Anspruch 34. Aber auch Spritzgussverfahren oder Rotationsformen
und Blasformen oder Tiefziehen sind geeignet, Anspruch 35.
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Hat
man einen Kunststoff zu Verfügung, der für das
Sonnenlicht transparent (Transmissionsgrad > 85%) ist, so kann man auch die Abdeckung
gemeinsam mit dem Gehäuse aus demselben Material fertigen, 11 und
zwischen Absorber und Abdeckung eventuell zusätzlich eine
mit dem Gehäuse fest verbundene transparente Schicht einbringen, 5 und
damit, bei geringen optischen Verlusten, die Wärmeverluste
des Absorbers zur Abdeckung deutlich reduzieren, Anspruch 36. Nach
der Konvektionstheorie sollten die Abstände zwischen transparenter
Schicht und Absorber bzw. Abdeckung mindestens 10 mm betragen, Anspruch
37. Einen solchen Kollektor könnte man auch von hinten
mit Sonnenlicht bestrahlen, z. B. über Spiegel.
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Schließlich
ist es denkbar, das ganze Kunststoffgehäuse einschließlich
einer derartigen transparenten Schicht aus demselben transparenten
Material und/oder demselben Stück zu fertigen, was Fertigungsschritte
einsparen würde, Anspruch 38.
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Schließlich
kann noch das Problem der Temperaturbelastung der dem Absorber am
nächsten kommenden Kunststoffteile, die der Erzeugung der Luftkammern
dienen, z. B. der obersten der in Anspruch 8 formulierten parallelen
Wände, vorteilhaft entschärft werden. Man muss
hierbei dafür sorgen, dass die unvermeidliche Wärmeausdehnung
der Kunststoffteile nicht zu einer Annäherung an den Absorber
führt. Dies kann zum Beispiel durch die teilweise Ausbildung
der Kunststoffwände als Faltenbalg, z. B. am Rand geschehen, 3,
oder durch eine entsprechende Anordnung oder Einspannung der Wände,
so dass die Ausdehnung als Ausbauchung vom Absorber weg erfolgt,
Anspruch 39, 4.
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Verschiedene
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in den Abbildungen
dargestellt. Es zeigen:
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1:
Hauptteil des Gehäuses, bestehend aus 2 Seitenwänden,
einer Rückwand und zwei zur Rückwand parallelen
Kunststoffwänden zwischen Absorber (nicht eingezeichnet)
und Rückwand. Die Seitenwände sind oben so geformt,
dass sie zur mechanischen Halterung der Abdeckung dienen können.
Der Gehäuseabschluss erfolgt durch weitere Seitenwände
nach dem Prinzip von 7. Perspektivische Ansicht.
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2:
Hauptteil des Gehäuses bestehend aus Rückwand
und Seitenwänden und zu den Außenwänden
jeweils parallelen Wänden, die zusammen mit den äußeren
Rück- und Seitenwänden isolierende Luftkammern
einschließen. Schnittzeichnung. Ein solches sozusagen doppelwandiges
Gehäuse kann besonders einfach z. B. durch ein Schlauchextrusionsverfahren
hergestellt werden. Es hat den zusätzlichen Vorteil dass
bei thermischer Ausdehnung des Absorbers durch geschickte Anordnung
der Absorberfixierung an der Innenwand der doppelwandigen Seitenwände,
die thermische Ausdehnung/Zusammenziehung (Pfeile) ohne Schaden am
Kollektorgehäuse reversibel aufgenommen werden kann und
die Kunststoffteile dabei vom heißen Absorber möglichst
entfernt bleiben. Gleichzeitig wird durch den verringerten Abstand
zwischen Innen- und Außenwand der Seitenwände
der Absorber schlechter zur Umgebung isoliert, was eine selbst regelnde Temperaturbegrenzung
darstellt.
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3 zeigt,
wie die, verglichen mit Metallen, große thermische Ausdehnung
der dem Absorber nahen und damit heissen Kunststoffwand durch Ausbildung
derselben als Faltenbalg am Rand ohne Beschädigung aufgenommen
werden kann.
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4:
Hauptteil des Gehäuses aus transparentem Kunststoff, bestehend
aus Seitenwänden einer Rückwand und einer zur
Rückwand parallelen Kunststoffwand zwischen Absorber und
Rückwand sowie einer transparenten Abdeckung und einer
zwischen Absorber und Abdeckung eingebrachten weiteren transparenten
Wand. Diese Bauform kann auch von hinten solar bestrahlt werden.
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5:
Ausführungsform mit zum Absorber senkrechten Zusatzwänden
zur Bildung von isolierenden Luftkammern zwischen Absorber und Boden. Gleichzeitig
kann der Absorber über thermisch isolierende Trennstücke
auf den Zusatzwänden gelagert werden.
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6:
Ausführungsform, bei der der Absorber auf einer speziell
ausgeformten inneren Wand, die mit Seiten und Rückwand
eine isolierende Luftkammer bildet, über ein thermisch
isolierendes Trennstück gelagert ist. Diese Variante kann
auf zusätzliche Absorberhalterungen verzichten.
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7:
zeigt ein zusätzliches Seitenteil (10), welches
durch Kleber, der gleichzeitig eine Dichtung darstellt und einen
zusätzlichen Schnappverschluss an das Gehäuse über
die zur Isolation dienenden zur Rückwand parallelen Wände
(8) angebracht wird. Das zusätzliche Seitenteil
(10) stellt hierbei eine Art räumliches Negativ
von (8) dar.
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8:
zeigt eine Ausführungsform der Erfindung, bei der ein Kunststoffabsorber, ähnlich
heute verwendeten Schwimmbadabsorbern, aus demselben Material wie
das Gehäuse und aus einem Stück mit diesem hergestellt,
eingesetzt wird. Zur Wärmeisolation dient eine zur Rückwand
parallele Wand zwischen Absorber und Rückwand.
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9:
Schnitt durch das Gehäuse, von oben betrachtet mit der
Absorberaufhängung an beiden Durchführungen (Einlass
und Auslass) der Wärmeträgerrohre durch das Gehäuse.
Die Wärmeträgerrohre sind mit dem Absorber fest
verbunden, der Absorber ruht auf den Wärmeträgerrohren
und ist in der Zeichnung entfernt.
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10:
Hauptteil des Gehäuses, welches seitlich abgeschlossen
ist, bestehend aus 4 Seitenwänden und einer Rückwand
und einer zur Rückwand parallelen Kunststoffwand zwischen
Absorber und Rückwand. Die Seitenwände sind so
geformt, dass sie zur mechanischen Halterung der Abdeckung dienen
können. Perspektivische Ansicht. Schnitt gleicht 2.
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11:
Hauptteil des Gehäuses aus transparentem Kunststoff, bestehend
aus Seitenwänden, einer Rückwand und 2 zur Rückwand
parallelen Kunststoffwänden zwischen Absorber und Rückwand
und einer transparenten Abdeckung. Diese Ausführungsform
kann auch zusätzlich von hinten mit Sonnenlicht bestrahlt
werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 19710642
A1 [0005]
- - DE 20320222 U1 [0006]
- - DE 20319299 U1 [0007]
- - DE 20102503 U1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - O.G. Martynenko,
P.P. Khramzsov, Free Convective Heat, Transfer Springer Verlag,
Berlin, 2005 [0011]