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Sonnenkollektor
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Sonnenkollektoren werden benutzt, um die Sonnenstrahlen in Wärmeenergie
umzuwandeln, wobei diese Warme im allgemeinen auf eine Flüssigkeit oder ein Gas
übertragen wird, das zu einem Verbraucher weitergeleitet werden kann.
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Bei einer Art bekannter Kollektoren handelt es sich um eine flache
Platte, an welcher eine metallische Rohrschlange befestigt ist. Die achse Platte
ist in der Lage, die Sonnenstrahlen zu sammeln, diese Strahlen in Wärmeenergie umzuwandeln
und diese Wärmeenergie der Rohrschlange zuzuleiten. Durch die Schlange wird ein
Strömungsmittel, und zwar entweder ein Gas oder eine Flüssigkeit umgewälzt. Das
Strömungsmittel wird in dem Verfahren erwärmt. Das erwärmte Strömungsmittel wird
dann einem anderen Platz zugeführt, wo die Wärmeenergie normalerweise für den Endzweck
zum Erwärmen eines Gebäudes oder zum Erwärmen von Wasser oder zum Kühlen eines Gebäudes
mittels Absorptionskühlung abgezogen wird.
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In einer Ausführungsform des Kollektors war die flache Platte aus
Aluminium hergestellt. Aluminium hat den Nachteil, daB es einer Elektrolyse mit
nachfolgender Korrosion unterliegt. Wenn nicht sorgfältige Vorkehrungen getroffen
werden, dann kann die Aluminium-Konstruktion schnell in Verfall geraten.
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In einer weiteren Ausführungsform sind die flache Platte und die Rohrschlange
aus Kupfer hergestellt, was als das beste Material für Sonnenkollektoren angesehen
unxrde.
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Kupfer hat nahezu die zweifache Leitfähigkeit von Aluminium.
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Jedoch ist der Preis des Kupfers äußerst hoch. Die erforderliche Gesamtfläche
kann in manchen Fällen dazu führen, daß sich der Preis des Sonnenkollektors verbietet.
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Kupferkollektoren bestehen im allgemeinen aus einem haarnadelförmigen
oder schlangenförmigen (oder andersförmigen) flachen Kupferrohr, das an einer Kupferplatte
befestigt ist. Die Schlange kann mechanisch mittels einer Klemme an der Platte gehalten
werden. Häufiger ist die Schlange durch Weichlöten unter Verwendung eines Bleizinnlots
an der Platte befestigt. In jedem Fall wird die Art der Befestigung der Schlange
an der Platte bei der Übertragung von Wärme von der Platte auf die Schlange als
Engpaß angesehen. Eine mechanische Verbindung schafft nicht die beste wärmeübertragende
Verbindung. Außerdem führt die Korrosion, die nach einer bestimmten Gebrauchsdauer
allgemein auftritt, zu einer noch geringeren Wirksamkeit der mechanischen Verbindung.
Die "Weichlöt"-Verbindung, die
auch häufig benutzt wird, bildet
deshalb einen Engpaß, weil die Leitfähigkeit des Bleizinnlots nur ein Achtel derjenigen
des Kupfers beträgt und dasVeichlot" ebenfalls korrosionsanfällig ist.
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Bisher wurde Stahl nicht in großem Maße. für flache Platten und Rohrschlangen
bei Sonnenkollektoren verwendet, und zwar wegen der allgemeinen geringon Wärmeleiteigenschaften
des Stahls. Gemäß der vorliegenden Erfindung werden eine flache StahIplatte und
eine Stahlrohrschlange benutzt. Die Stahl schlange wird durch Wasserstoff-KupferBtung
an der flachen Stahlplatte befestigt. Dies Verfahren führt zu einer Kehle auf jeder
Seite des Rohres und zu einem flachen Kupferbad zwischen den das Stahlrohr und die
Stahlplatte verbindenden Kehlen. Das Ergebnis besteht darin, daß Wärme bei annähernd
der 10-fachen Geschwindigkeit von der Stahlplatte auf das Stahlrohr übertragen wird,
als es bei einem ganz aus Kupfer bestehenden Kollektor der Fall wäre, wo die Leitung
zwischen der Platte und dem Rohr durch Bleizinnlöten oder eine mechanische Verbindung
hergestellt ist. Während es zutrifft, daß Kupfer ein viel besserer Leiter ist als
Stahl, gestattet doch der relativ niedrige Preis des Stahls die Verwendung stärkerer
Stahlabmessungen, wodurch dieser Vorteil zum Teil wettgemacht wird. Die Stahlrohre
können auch enger aneinander angeordnet werden, was weiter den Vorteil der dem Kupfer
eigenen besseren Wärmeleitfähigkeit herabsetzt. Hierdurch wird der Unterschied in
Leistung zwischen einem Kollektor, der Stahl als Sammeleinrichtung verwendet, und
einem Kollektor, der
Kupfer als Sammeleinrichtung verwendet, praktisch
aufgehoben.
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Ein weiterer Vorteil der vorlegenden Erfindung besteht darin, daß
das Wasserstoff-Kupferlöten ein wirtschaftlicheres Verfahren zur Befestigung einer
Schlange an einer Platte ist als das Weichlöten.
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Kupferplatten und -rohre könnten nicht im Wasserstoff-Kupferlötverfahren
gelötet werden, da in diesem Verfahren die Konstruktion durch einen Wasserstoffatmosphären-Kontrollofen
bei etwa 21000 F hindurchgeführt wird. Bei dieser Temperatur schmilzt das Kupfer,
was beim Zusammenlöten von Stahlteilen erlninscht ist, jedoch unmöglich wäre beim
Zusammenlöten von Kupferteilen untereinander. Wasserstofflöten ist außerdem wünschenswert,
weil es ein sauberes Verfahren ist, bei dem die Notwendigkeit einer Reinigung der
gefertigten Teile auf ein Mindestmaß herabgesetzt wird.
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In der Tat kann ein im Wasserstoff-Kutferlötverfahren gelöteter Stahlkollektor
die Wirksamkeit eines Kupferkollektors nahezu erreichen und diese Wirksamkeit in
einigen Fällen möglicherweise überschreiten. Der Preis für den im Wasserstoff-Kupferlötverfahren
gelöteten Stahlkollektor beträgt jeaoch nur einen Bruchteil des Preises eines aus
Kupferrohr und einer Kupferplatte bestehenden Kollektors.
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Der Sonnenkollektor umfaßt ein Gehäuse, in welchem eine Stahlplatte
zum Absorbieren von Sonnenstrahlen und zur Umwandlung dieser Strahlen in Wärme energie
gelagert ist. An der Platte ist ein Stahlrohr befestigt, um die Wärmeenergie von
der Platte zum Rohr abzuleiten. Das Rohr eignet sich zum Durchfluß von Strömungsmittel
zur Übergabe von Wärme energie von dem Sonnenkollektor an einen Verbraucher. Zwischen
dem Rohr und der Platte ist durch Löten eine Kupferverbindung hergestellt, die sowohl
eine mechanische Verbindung als auch ein Wärmeübertragungsmittel darstellt. Auf
dem Gehäuse ist eine lichtdurchlässige Platte vorgesehen, so daß die Sonnenstrahlen
auf die Stahlplatte auftreffen können.
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Es zeigen: FIG. 1 eine Draufsicht von oben auf eine Ausführungsform
des Sonnenkollektors gemäß der Erfindung; FIG. 2 einen Schnitt im wesentlichen nach
der Linie 2--2 der Fig. 1 bei Blickrichtung in Richtung der Pfeile; FIG. 3 einen
Schnitt im wesentlichen nach der Linie 3--3 der Fig. 1 bei Blickrichtung in Richtung
der Pfeile;
FIG. 4 eine Draufsicht von oben zur Darstellung der
Verbindung der drei Sonnenkollektoren nach Fig. 1 miteinander zur Bildung eines
einheitlichen Sonnenkollektors von größerer Kapazität als eine einzelne Kollektoreinheit;
FIG. 5 eine weitere Ausführungsform der Erfindung.
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Der Sonnenkollektor 10 enthält ein langgestrecktes Gehäuse mit. Seitenwänden
12, 14 und Endwänden 16, 18, sowie einer Bodenwand 20. Diese Gehäuseelemente sind
vorzugsweise aus-behandeltem Holz hergestellt, welches bei Beeinflussung durch das
Wetter einem Verfall standhält. Das Gehäuse ist durch metallische Endecken 22, 24,
26, 28 in sich befestigt. Es können Schrauben als Befestigungseinrichtungen benutzt
werden.
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Innerhalb des Gehäuses ist mit Abstand von der Bodenwand 20 eine flache
Stahlplatte 30 vorgesehen. In dem Abstand zwischen der Bodenwand 20 und der Platte
30 ist thermisch isolierendes Material 32 vorgesehen. Diese thermische Isolierung
verhindert Wärmeverluste aus der Platte 30 durch den Boden des Gehäuses. An der
Platte 30 ist durch Wasserstoff-Kupferlöten eine Stahlrohrschlange 34 befestigt.
Die Rohrstücke 34 sind mit engen Abständen aneinander angeordnet, um die Wärmeübertragung
zwischen der Platte und der Schlange auf einen Höchstwert zu bringen. Die Enden
36, 38 der Schlange sind leicht nach
oben gebogen, um die Verbindung
mit einem Schlauch zum Umwälzen eines Strömungsmittels, entweder einer Flüssigkeit
oder eines Gases, durch die Schlange zu gestatten. In den Seitenwänden 12, 14 sind
Öffnungen 40, 42 zum Einsatz von Schläuchen in das Gehäuse und zum Anschluß an die
Schlange 34 vorgesehen.
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Aus Fig. 3 ist ersichtlich, daß die Kupferkehlen 44, 46 auf jeder
Seite des Rohrabschnitts 48 angelötet sind, der einen Teil der Schlange 34 bildet.
Diese Kehlen erstrecken sich über die gesamte Länge der Schlange.
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Die Kehlen bilden eine mechanische Verbindung zwischen der Schlange
und der Platte. Außerdem bilden die Kehlen einen Wärmeleiter zwischen Platte 30
und der Schlange 34.
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Es ist zu beachten, daß die Kehlen relativ dick sind und nicht nur
die Konstruktion liefern, die zur Verbindung der Schlange mit der Platte 30 erfordenich
ist, sondern zusätzliches Material liefern, um die Wärmeleitfähigkeit zwischen der
Platte und der Schlange zu verbessern. Die als selektive Oberfläche 50 bezeichnete
Oberfläche ist ebenfalls auf der Oberfläche der Platte 30 vorhanden, wenn die Schlange
34 im lfasserstofflötverfahren daran angelötet ist. Eine selektive Oberfläche ist
eine Oberfläche, die auf einer Kollektorplatte vorgesehen ist, um die Fähigkeit
der Platte zum Sammeln von Energie zu verbessern. Im vorliegenden Fall ist diese
selektive Oberfläche auch über der Schlange vorgesehen, so daß die Schlange selbst
unmittelbar Sonnenenergie absorbieren kann.
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In dem US-Patent 3,432,910 wird ein Verfahren sowohl zum Festlöten
der Schlange 34 an der Platte 30 durch Wasserstoff-Kupferlöten als auch zur Bildung
einer selektiven Oberfläche 50 auf der Platte 30 und einer zusätzlichen selektiven
Oberfläche 52 auf der Schlange 34 offenbart. In diesem Verfahren wird ein kupferhaltiges
Lötmaterial zunächst als eine relativ dicke Schicht an der Verbindung der Schlange
und der Platte vorgesehen.
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Die gesamte Außenfläche sowohl der Platte als auch der Schlange wird
mit einem kupferhältigen Material in fein verteilter Form in einem flüssigen Träger
überzogen.
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Sodann wird die Anordnung getrocknet, um eine dünne Schicht Lötmaterial
in feinverteilter Form über der gesamten Oberfläche zu bilden. Danach wird der Einbau
in einem Lötofen, vorzugsweise mit einer inerten Atmosphäre, der Einwirkung von
Wärme ausgesetzt. Die Erwärmung wird für eine Zeitdauer fortgesetzt, die ausreicht,
um die Verbindung zu löten, und die relativ dünne Schicht zu löten, um einen zusammenhängenden
Ueberzug über der gesamten Außenfläche des Einbaus zu bilden. Die Oberfläche des
Einbaus wird vorzugsweise zunächst durch Aufrauhen oder gleichmäßiges Oxidieren
vorbereitet, bevor die dünne Schicht des Lötmaterials aufgebracht wird. Dieser Schritt
verbessert die Haftung der Schicht.
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Die somit über der Platte und der Schlange vorgesehene verkupferte
Oberfläche führt zu verschiedenen Vorteilen.
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Diese Oberfläche bildet zunächst eine verbesserte selektive
Oberfläche
zur Verhinderung von Reflektion und zum Einfangen der Sonnenstrahlen, und veranlaßt
deren Umwandlung n Wärme energie auf der Kollektorplattenoberfläche. Zweitens verbessert
die verkupferte Oberfläche die Wärmeleitfähigkeit der Platte. Schließlich schützt
die verkupferte Oberfläche die Stahl schlange und -platte gegenüber Korrosion.
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Es können andere selektive Oberflächen benutzt werden.
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Derartige andere selektive Oberflächen können durch ein Plattierungsverfahren
aufgebracht oder aufgestrichen werden. Beispielsweise kann zunächst ein Farbanstrich
aufgebracht werden, um den Stahl gegenüber Korrosion zu schützen; zur Verbesserung
der Wärmeleitfähigkeit karm ein zweiter Anstrich aufgebracht werden, und zur Verhinderung
einer Reflektion und zum Einfangen der Sonnenstrahlen kann ein abschließender Überzug
vorgesehen werden, der die Umwandlung der Sonnenstrahlen in Wärmeenergie auf der
Kollektorplatte veranlaßt.
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An der Oberseite des Gehäuses ist eine lichtdurchlässige Abdeckplatte
54 befestigt. Die Platte 54 kann beispielsweise aus klarem Glas oder Kunststoff
bestehen. Vorzugsweise wird entweder das Glas oder das Kunststoffmaterial vorbehandelt,
so daß es die Neigung hat, Lichtstrahlen in den Kollektor hindurchzulassen, während
es dem Durchgang reflektierter Strahlen in entgegengesetzter Richtung zurück Widerstand
entgegensetzt. Es kann beispielsweise auf die Außenseite der Platte 54 ein Plattenverglasungsmaterial
in
Form eines PVF-Films der Type 400BG20TR, gehandelt von der DuPont Company unter
der Bezeichnung "Tedlar" aufgeklebt werden.
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Es genügt, eine einzige Schicht des "Tedlar"-Films für Anwendungszwecke,
wo die Flüssigkeit den Kollektor bei niedrigen Temperaturen verlassen soll, wie
beispielsweise zur Verwendung bei einer durch Sonnenwärme unterstützten Wärmepumpe.
Jedoch ist eine doppelte Verglasung im allgemeinen erforderlich, wenn höhere Flüssigkeitstemperaturen
verlangt werden. Vorzugsweise sollten die beiden "Tedlar"-Schichten durch einen
Mindestabstand von 1/2 Zoll voneinander getrennt sein, obwohl durch eine Trennung
der Schichten um mehr als 3/4 Zoll wenig gewonnen aErde.
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Die einzelnen Kollektoren 10 lassen sich gemäß der Darstellung in
Fig. 4 leicht mit Hilfe von Schläuchen 56 und Klemmen 58, 60 in einer Reihenanordnung
zusammenfügen, um eine Batterie von Kollektoren zu bilden. Wenn eine große Anzahl
von Kollektoren 10 zur Bildung einer Reihe zusammengeschlossen werden soll, dann
ist es zu bevorzugen, sie parallel zueinander zu verbinden, um den Druckabfall zu
vermindern.
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Fig. 5 zeigt eine weitere Ausführungsform, bei der eine andere Art
Schlangenanordnung zur Anwendung kommt. Die Kollektorplatte 64 ist die gleiche wie
im Vorhergehenden
beschrieben und ist geeignet, in einem Gehäuse,
wie beschrieben, angeordnet zu werden.
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Anstatt der serpentinenartigen Schlange in Fig. 1 enthält diese Schlange
eine Anzahl voneinander auf Abstand gehaltener Rohre 66, die an jedem Ende an ein
Paar Stutzen- 68, 70 angeschlossen sind. In einen dieser Stutzen wird Strömungsmittel
hineingepumpt, strömt durch die Rohre 66 hindurch und wird über den anderen Stutzen
abgezogen.
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Die Rohre 66 werden, wie im Vorhergehenden beschrieben, an die Platte
64 angelötet, und die Oberfläche der Platte 64 und der Rohre 66 kann in der im Vorhergehenden
beschriebenen Weise verkupfert werden.
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L e e r s e i t e