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Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten durch Sonnenenergie Die
Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten durch
Sonnenenergie mit einem an einen Flüssigkeitskreislauf anschliessbaren Wärmetauscher
innerhalb eines zur Sonne lichtdurchlässigen Gehäuses.
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Seit einiger Zeit sind Bestrebungen im Gange, eine wirtschaftliche
Nutzung der Sonnenenergie auch in unseren Breiten zu verwirklichen. Eine Entwicklungsrichtung
verfolgt das Ziel, ein Wärmeträgermedium durch Sonnenenergie auf Temperaturen bis
1000 C zu erwärmen.
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Um dieses Ziel zu erreichen, sind Kollektorsysteme entwickelt worden,
mit denen Wasser bzw. Flüssigkeit auf Temperaturen zwischen 40 und 800C erwärmt
werden kann. Ein Kollektor besteht in der Regel aus einem von der Flüssigkeit durchströmten
Rohrsystem, welches der Sonneneinstrahlung ausgesetzt ist.
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Erwärmtes Wasser kann beispielsweise in einem an die Kollektoren angeschlossenen
Heizsystem direkt zur Beheizung von Wohnräumen, Schwimmbädern, Treibhäusern bzw.
Bodenkulturen und dergleichen verwendet werden.
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Vorzugsweise sind die Sonnenkollektoren Bestandteile eines besonderen
Heizmittel-Kreislaufes, dessen Wärme in einem eigens konstruierten Wärmetauscher
an Brauchwasser oder ein Wärmeträgermedium für Heizzwecke abgegeben wird.
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Bisher bekannt gewordene Sonnenkollektoren bestehen im wesentlichen
aus einem Wärmetauscher, dessen Rohr von der zu erwärmenden Flüssigkeit durchflossen
wird, und einem zur Sonne
lichtdurchlässigen Gehäuse, in welchem
der Wärmetauscher eingebettet ist, um die Bildung eines sogenannten Treibhauseffektes
innerhalb des Gehäuses zu fördern.
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Das Gehäuse und der Wärmetauscher wurden bisher in der Regel aus Metall,
neuerdings auch aus Kunststoff, die lichtdurchlässige Abdeckung bevorzugt aus Glas
hergestellt. Metall, so beispielsweise Kupfer und Aluminium, eignet sich aus rein
wärmephysikalischen Gründen am besten zur Herstellung des Wärmetauschers, dessen
Rohr in einer bekannt gewordenen Ausführungsform in Wendeln auf einer Aluminiumplatte
aufgebracht ist. Infolge der guten Wärmeleitung dieses Wärmetauschers wird ein grosser
Teil der Sonnenwärme an die das Rohr durchfliessende Flüssigkeit abgegeben, Um die
Aufnahme von Sonnenenergie noch zu steigern, kann der Wärmetauscher schwarz gefärbt
sein.
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Die Gehäuse sind aus Festigkeitsgründen ebenfalls aus Metall hergestellt,
wohingegen zur lichtdurchlässigen Abdeckung vorzugsweise Glas verwendet wird, welches
sehr gute Lichtdurchgangswerte besitzt. Die Sonnenkollektoren werden meistens auf
Dächern montiert, um die Sonneneinstrahlung aus erster Hand voll ausnutzen zu können.
Bisherige Kollektoren haben sich hinsichtlich ihrer Funktions- und Wirkungsweise
gut bewährt.
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Sie weisen Jedoch konstruktive Nachteile auf. Ihre Metallkonstruktion
ist schwer, bei der Herstellung lohnintensiv und teuer, sowie vor allem anfällig
gegen Korrosion durch Athsosphärilien und ätzende Zusätze in der die Wärmetauscher
durchströmenden Flüssigkeit0 Sollen zahlreiche Sonnenkollektoren zu einer Batterie
zusammengefasst auf einer vorhandenen Dachfläche installiert werden, reicht oft
deren Festigkeit nicht aus. Die Dachkonstruktion muss verstärkt werden. Hinzu kommt
die Gefahr des Glasbruches bei der lichtdurchlässigen Abdekkungo Der Erfindung liegt
daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zum Erwärmen von Flüssigkeiten durch
Sonnenenergie zu
schaffen, die leicht ist, einfach und billig hergestellt
wer den kann, korrosionsunanfällig ist und die vor allem insgesamt mit bisher bekannt
gewordenen einschlägigen Vorrichtungen konkurrieren kann.
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Es wurde gefunden, dass sich diese Aufgabe in einfacher Weise dadurch
lösen lässt, dass ein Wärmetauscher aus Kunststoff verwendet wird, der aus einem
mäanderförmig verlaufenden Rohr besteht, welches Bestandteil einer ebenen, zusammenhängenden
Platte ist0 Vorzugsweise besitzt das Rohr des Wärmetauschers nahezu kreisförmigen
Querschnitt, wobei seine nebeneinanderliegenden Bereiche durch schmale, in der Mittelebene
des Rohres liegende Stege miteinander verbunden sind.
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Eine kostensparende und einfache Herstellung g ergibt sich erfindungsgemäss
dadurch, dass der Wärmetauscher aus schwarzem, wärme- und UV-beständigem Polypropylen
extrusionsgeblasen wird. Die Schwarzfärbung wird in an sich bekannter Weise durch
Rußzusatz herbeigeführt, die einerseits eine gute UV-Beständigkeit und andererseits
eine gute Wärme aufnahme be wirkt.
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Durch Zusammendrücken der Stege zwischen den Rohrwindungen beim Extrusionsblasen
auf eine Wanddicke, die kleiner ist als die doppelte Wanddicke des Rohres, erreicht
man eine gute Verschweissung. Vorzugsweise werden die Stege etwa auf die gleiche
Dicke wie die Rohrwand zusammengedrückt, um einen Teil des Schweisswulstes in den
Rohrkanal zu drücken und die Bildung von Kerben im Rohr weitgehend auszuschliessen.
Hierdurch wird die Druckfestigkeit, insbesondere das Zeitstandverhalten des Wärietauschers
wesentlich verbessert.
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Vorzugsweise werden die beiden Enden des Rohrkanals T-förmig ausgebildet
und ragen aus zwei gegenüberliegenden Seiten des Wärmetauschers heraus. An Jedem
T-förmigen Ende können beim
Extrusionsblasen zwei einander gegenüberliegende
Schlauchtüllen gleich mit angeformt werden Die verwendete Herstellungsart erlaubt
es, den als Platte ausgebildeten Wärmetauscher mit rohrfreien Bereichen für Schraublöcher
bzw. Klemmbefestigungen zu versehen. Ohne Schwierigkeiten ist es auch möglich, die
Platte mit einem umlaufenden Befestigungsrand zu formen.
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Der Wärmetauscher nach der Erfindung kann am Boden eines doppelwandigen,
ebenfalls aus Kunststoff hergestellten, rechteckigen und wannenförmigen Gehäuses
befestigt sein, dessen zur Sonne offene Seite von einer lichtdurchlässigen Abdeckung
verschlossen ist, die wenigstens eine, die Gehäuseöffnung überspannende Kunststoff-Folie
einschliesst.
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Vorzugsweise wird auch das doppelwandige, rechteckige und wannenformige
Gehäuse aus Polypropylen oder schlagfest modifizierten Vinylchlorid- oder Styrol-Polymerisaten
durch Extrusionsblasen als geschlossener Hohlkörper hergestelltg Um die UV-Beständigkeit
sicherzustellen, wird der Kunststoff für das Gehäuse durch geeignete UV-Stabilisatoren
oder Ruß stabilisiert.
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Zur Versteifung können die beiden Wände des Bodens des doppelwandigen
Gehäuses beim Extrusionsblaaen in bestimmten Bereichen zusammengepresst und verschweisst
werden, so dass Quetschbereiche oder Quetschnähte entstehen.
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In einem anderen Ausführungsbeispiel kann das doppelwandige, rechteckige
und wannenförmige Gehäuse auch durch Verschweissen zweier aus Tafeln tiefgezogener
Gehäusehälften hergestellt werden. Hierzu eignen sich die gleichen Kunststoffe wie
für das Extrusionsblasen.
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In vorteilhafter Weise kann der Hohlkörper des Gehäuses mit einer
Ausschäumung gefüllt sein, die die Wärmedämmeigenschaften
und
die Festigkeit des Gehäuses verbessert, ohne dessen Gewicht nennenswert zu erhöhen.
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Vorzugsweise verlaufen die Innerwände des Gehäuses geringfügig trichterförmig
vom Boden zur Gehäuseöffnung nach aussen und weisen etwa auf halber Höhe eine umlaufende
innere Abstufung auf.
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Der obere Rand des Gehäuses ist als ebene Auflage ausgebildet, die
von einer umlaufenden äusseren Abstufung umgeben ist, Befestigungslaschen an den
Ecken des Gehäuses können in Höhe der umlaufenden äusseren Abstufung beim Extrusionsblasen
oder beim Tiefziehen der zu verschweissenden Gehäusehälften gleich mitgeformt werden.
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Die Abmessungen des Gehäuses richten sich in der Regel nach den Bedürfnissen
der Baustelle, der Art der Montageunterlagen, aber auch nach dem Stand der Verarbeitungstechnik.
Gleichwohl ist es von Vorteil1 genormte Grössen zu bevorzugen. Hierbei hat sich
eine Länge des Gehäuses von etwa 1000 mm und eine Breite von etwa 600mm bei einer
Höhe von etwa 60 mm bewährt.
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Die Wandstärke des Gehäuses beträgt vorzugsweise 2 bis 4 mm bei einem
Wandabstand von etwa 25 mm.
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Um einerseits einen guten Wärmeübergang zu erreichen, andererseits
ein gutes Langzeitverhalten bei Innendrücken bis etwa 2 bar und Dauertemperaturen
bis etwa 800C zu gewährleisten, sollte der Rohrinnendurchmesser zwischen 7 und 16
mm und die Wanddicke zwischen 1 und 4 mm liegen. Gut bewährt hat sich ein Rohrinnendurchmesser
von 12 mm bei einer Wanddicke von 2 mm, Der Abstand zwischen den Rohrwindungen,
d.h. die Breite der Verbindungsstege, sollte so gering wie möglich gehalten werden,
um die Sonneneinstrahlung auf der vorhandenen Fläche optimal auszunutzen. Aus Festigkeitsgründen
ist eine Stegbreite von mindestens 2 mm erforderlich; bewährt hat sich eine Stegbreite
zwischen 2 und 4 mm.
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Erfindungsgemäss kann die lichtdurchlässige Abdeckung auf verschiedene
Weise erreicht werden.
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In einem ersten Ausführungsbeispiel besteht die lichtdurchlässige
Abdeckung aus einer über den oberen Rand des Gehäuses gespannten und mittels einer
umlaufenden Leiste und einer dauerplastischen Masse an der umlaufenden äusseren
Abstufung des Gehäuses befestigten einlagigen Kunststoff-Folie. Die Dicke dieser
Folie liegt vorzugsweise zwischen 50 bis 150 µm. Um bei dieser Dicke eine ausreichende
Lichtdurchlässigkeit, bei hinreichender Temperatur- und Witterungsstabiltät, zu
gewährleisten, werden vorzugsweise Folien aus einem Äthylen-Tetrafluoräthylen-Copolymer,
Polycarbonat sowie Verbundfolien eines dieser Werkstoffe mit anderen Polymerisaten
verwendet.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet,
dass die lichtdurchlässige Abdeckung aus einer über den oberen Rand des Gehäuses
gespannten und mittels einer umlaufenden Leiste und einer dauerplastischen Masse
an der umlaufenden äusseren Abstufung des Gehäuses befestigten ersten Kunststoff-Folie
und einer zweiten Kunststoff-Folie besteht, deren Rand mittels einer umlaufenden
Leiste auf der inneren Abstufung des Gehäuses befestigt ist.
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In einem dritten Ausführungsbeispiel besteht die lichtdurchlässige
Abdeckung aus einer mittels einem umlaufenden Kunststoff-Profil und einer dauerplastischen
Masse auf dem oberen Rand des Gehäuses befestigten Glasplatte und der zweiten Kunststoff-Folie,
deren Rand mittels einer umlaufenden Leiste auf der inneren Abstufung des Gehäuses
befestigt ist0 Die zweite Kunststoff-Folie ist in den infrage'kommenden AusfUhrungsbeispielen
etwa 15 bis 20 mm unterhalb der oberen Abdeckungsschicht angeordnet. Solche mehrlagigen
Abdeckungen erhöhen die Wärmeausbeute und setzen die Temperaturbelastung der oberen
Abdeckschicht herab. Die Leisten aus Polypropylen werden in der Regel < den dafür
vorgesehenen Stellen des Gehäuses s:neschraubt bzw. durch Spreizdübel verankert.
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Als dichtende Zwischenlagen haben sich im Handel erhältliche plastische
Dichtmassen auf Basis Butylkautschuk bewährt.
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Um ein leichtes Zusammenschliessen der erfindungsgemässen Vorrichtung
zu einer Batterie zu ermöglichen, werden an den Schlauchtüllen der T-förmigen Rohrenden
Rohre bzw. Schläuche angeschlossen, die an einander gegenüberliegenden Seiten des
Gehäuses herausgeführt werden und mit benachbarten Einheiten bzw. den Zu- und Ableitungen
verbunden werden, so dass der einzelne Wärmetauscher im Nebenschluss geschaltet
ist.
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Zwischen dem Wärmetauscher und der inneren Wand des doppelwandigen
Bodens des Gehäuses kann eine wärme-isolierende Schicht vorgesehen werden, die in
vorteilhafter Weise aus einer reflektierenden, auf den Wärmetauscher gerichteten
Folie, z.B.
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aus Aluminium und einer darunterliegenden wärmedämmenden Schicht aufgebaut
ist.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind nachfolgend unter Bezugnahme
auf die Figuren beschrieben. Es zeigt: Fig. 1 einen Querschnitt durch einen erfindungsgemässen
Wärmetauscher in einem Gehäuse, Fig. 1a ein Konstruktionsdetail, Fig. 2 eine Draufsicht
auf die Vorrichtung nach Fig. 1, Fig. 3 eine Draufsicht auf eine im Extrusionsblasverfahren
hergestellte Gehäusewanne, Fig. 4 eine Konstruktionseinzelheit gemäss Linie IV-IV
in Fig. 3, Fig. 5 eine Konstruktionseinzelheit gemäss Linie V-V der Fig. 3, Fig.
6 die Ausbildung einer Ecke gemäss Linie VI-VI in Fig. 3,
Fig.
7 die Draufsicht auf ein Ausführungsbeispiel des Wärmetauschers, Fig. 8 einen Schnitt
entlag der Linie VIII-VIII nach Fig. 7, Fig 9 ein Konstruktionsdetail des Wärmetauschers,
Fig. 10 ein erstes Ausführungsbeispiel einer lichtdurchlässigen Abdeckung, Fig.
11 die Darstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels einer lichtdurchlässigen Abdeckung,
Fig. 12 die Darstellung eines dritten Ausführungsbeispiels einer lichtdurchlässigen
Abdeckung und Fig. 13 die Kombination mehrerer Vorrichtungen zu einer Batterie.
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Die Figuren 1 und 2 zeigen ein Ausführungsbeispeil der erfindungsgemässen
Vorrichtung im Schnitt sowie in Draufsicht.
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Ein allgemein mit 1 bezeichneter Wärmetauscher besteht im wesentlichen
aus einem mäanderförmig angeordneten Rohr 2 von nahezu kreisförmigem Querschnitt,
welches Bestandteil einer ebenen zusammenhängenden Platte 3 ist. Die ?r.latte wird
dadurch gebildet, dass die nebeneinanderliegenden bereiche des im wesentlichen kreisförmigen
Rohres 2 durch schmale, in der Mittelebene der Rohre 2 liegende Stege 4 miteinander
verbunden sind. Diese Ausbildung ist deutlich den Figuren 1 und 2 zu entnehmen.
Der Wärmetauscher 1 besteht aus Kunststoff.
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Die Platte 3 ist an der inneren Wand 16a des doppelwandigen Bodens
16 eines ebenfalls aus Kunststoff hergestellten rechteckigen und wannenförmigen
doppelwandigen Gehäuses 15 bebefestigt. Zur Wärme-Isolierung bzw. aus Festigkeitsgründen
kann das doppelwandige Gehäuse 15 mit einer Ausschäumung 18 gefüllt sein.
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Zwischen dem Wärmetauscher 1 und der inneren Wand 16a des doppelwandigen
Bodens 16 kann eine wärne-isolierende Schicht 32 angeordnet sein, die im einzelnen
in Fig0 la dargestellt ist. Sie besteht aus einer zum Wärmetauscher 1 hin reflektierenden
Folie 33, vorzugsweise aus Aluminium, und einer sich daran anschliessenden wärmedämmenden
Schicht 34, z.B. einer Schaumfolie.
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Das Gehäuse 15 ist durch eine lichtdurchlässige Abdeckung 24 abgedeckt,
welche aus wenigstens einer die Gehäuseöffnung überspannenden Kunststoff-Folie 27
besteht0 In Fig. 2 sind die beiden Enden 7, 8 des Rohres 2 erkennbar.
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Diese sind T-förmig ausgebildet und ragen aus der Mitte einander gegenüberliegender
Seiten des Wärmetauschers heraus.
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An Jedem T-förmigen Rohrende sind zwei einander gegenUberliegende
Schlauchtüllen 9. An die Schlauchtüllen 9 sind Rohre 39 bzw. Schläuche angeschlossen.
Pfeile zeigen die Durchflussrichtung des Heizmediums0 Das Ausführungsbeispiel zeigt
einen mittleren Wärmetauscher einer Batterie. Die untere Zuleitung 39 versorgt die
Wärmetauscher mit dem aufzuheizenden Medium, während die obere Leitung 39 das aufgeheizte
Medium den Bedarfastellen zuführt. Der erste und der letzten Wärmetauscher einer
Batterie haben Jeweils nur eine Zu- bzw. Ableitung, wie Fig. 13 zeigt.
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Die Platte 3 des Wärmetauschers 1 weist rohrfreie Bereiche 10 auf,
durch die - wie sich dieses der Fig. 7 entnehmen lässt -Schraublöcher 11 für Schrauben
40 hindurchgeführt sind0 Ohne am Kern der Erfindung etwas zu ändern, können anstelle
der Schrauben 40 auch Klemmbefestigungen oder gleichwertige Befestigungsarten zur
Anwendung kommen. Die Platte 3 kann auch mit einem umlaufenden Befestigungsrand,
wie in Fig0 9 angedeutet, 12 versehen sein, durch den der Wärmetauscher 1 mit dem
Gehäuse 15 verbunden ist.
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Die Figuren 7, 8 und 9 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines
Wärmetauschers
1, der aus schwarzem, wärme- und UV-beständigem Polypropylen extrusionsgeblasen
wurde. Fig. 8 lässt Einzelheiten dieses Wärmetauschers im Querschnitt erkennen.
Die Stege 4 sowie das kreisförmige Rohr 2 weisen eine etwa gleiche Wandstärke 5
auf. Das Ende 7 des Rohres 2 kann gemäss Fig. 9 geformt und mit einem Quetschbereich
36 versehen sein, um die Festigkeit des Rohrendes 7 zu erhöhen und um den Zu-und
Abgangs-Querschnitt des Rohres auf einen günstigen Wert festzulegen.
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Das Gehäuse kann auf unterschiedliche Weise hergestellt werden. Fig.
1, 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel eines doppelwandigen, rechteckigen und
wannenförmigen Gehäuses 15, welches aus Polypropylen oder schlagfest modifizierten
Vinylchlorid- oder Styrol-Polymerisaten durch Extrusionsblasen als einteiliger,
geschlossener Hohlkörper hergestellt werden kann.
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Es ist von Vorteil, wenn der doppelwandige Boden 16 des Gehäuses 15
durch Quetschbereiche 17 versteift wird.
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Die Innenwände 19 des Gehäuses 15 öffnen sich geringfügig trichterförmig
vom Boden 16 zur Gehäuseöffnung hin und weisen etwa auf halber Höhe eine umlaufende
innere Abstufung 20 auf, deren Zweck etwas später erläutert wird0 Die umlaufende
innere Abstufung 20 ist im einzelnen in den Figuren 4, 5 und 6 dargestellt. Diesen
Figuren lässt sich auch entnehmen, dass der obere Rand 21 des Gehäuses 15 als ebene
Auflage ausgebildet ist, die von einer umlaufenden äusseren Abstufung 22 umgeben
ist. Aus dieser äusserern Abstufung 22 können an den Ecken des Gehäuses Befestigungslaschen
23 herausragen, die in den Figuren 3 und 6 dargestellt sind0 Die Figuren 10, 11
und 12 zeigen verschiedene AusfUhrungsbeispiele von lichtdurchlässigen Abdeckungen
24, 24a und 24b.
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In Fig0 10 ist eine einfache lichtdurchlässige Abdeckung 24
des
Gehäuses 15 dargestellt. Mit Hilfe einer umlaufenden Leiste 25 und einer dauerplastischen
Masse 26 sowie Schrauben 41, die auch in den Figuren 1 und 2 dargestellt sind, ist
eine Kunststoff-Folie 27 so über der Öffnung des Gehäse 15 befestigt, dass die Randbereiche
der Folie auf dem oberen Rand 21 des Gehäuses aufliegen. Die Schrauben 41 werden
in vorbereitete Löcher der äusseren Abstufung 22 zusammen mit einem nicht näher
gekennzeichneten Spreizdübel eingesteckt und anschliessend angezogen.
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Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 11 weist die lichtdurchlässige Abdeckung
24a, die auch in der Fig. 10 dargestellte erste Kunststoff-Folie, zudem aber auch
eine zweite Kunststoff-Folie 27a auf, welche mit Hilfe einer umlaufenden Leiste
28 und Schrauben 41 auf der inneren Abstufung 20 befestigt ist.
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Durch diese doppelte Folienabdeckung wird eine günstigere Ausnutzung
der Sonnenenergie erreicht.
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In Ausführungsbeispiel nach Fig. 12 ist eine lichtdurchlässige Abdeckung
24b dargestellt, welche aus der zweiten Kunststoff-Folie 27a und einer Glasplatte
231 besteht, welche mittels eines umlaufenden Kunststoffprofils 29 und einer dauerplastischen
Masse 30 auf dem oberen Rand 21 des Gehäuses befestigt ist. Als Befestigungsschrauben
werden mit Vorteil wieder Schrauben 41 in Verbindung mit Spreizdübeln verwendet.
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Fig. 4 lässt eine Einziehung 37 in der inneren Wand 16a des doppelwandigen
Bodens 16 des Gehäuses erkennen, die zur Aufnahme der Schläuche bzw. Rohre 39 in
die innere Wand 16a des doppelwandigen Bodens eingearbeitet ist. Fig. 4 zeigt überdies
eine Öffnung 38, durch die die Rohre bzw. Schläuche 39 aus dem Gehäuse ausgeführt
bzw. in das Gehäuse eingeführt werden.
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Zu erwähnen ist noch, dass auch die Schrauben 40 zur Befestigung des
Wärmetauschers 1 in Verbindung mit Spreizdübeln eingesetzt werden.
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Fig. 13 schliesslich zeigt die Kombination einzelner Vorrichtungen
zu einer Batterie. Es ist ein unteres, mit 39 bezeichnetes Zulaufrohr und ein oberes,
ebenfalls mit 39 bezeichnetes Abflussrohr vorgesehen. Zwischen diesen Rohren sind
die einzelnen Vorrichtungen innerhalb der Batterie parallelgeschaltet.