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Vakuumdichter Sonnenwärmekollektor
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für die Wassererwärmung 14 Seiten Beschreibung 10 Patentansprüche
3 Blatt Zeichnungen
Die Erfindung betrifft einen vakuumdichten und
damit sehr leistungsfähigen Sonnenwärmekollektor mit dem Merkmal grösster Ausnutzung
des einfallenden Sonnenlichtes, ohne besondere Mittel zur Wartung zu benötigen.
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Die einfacheren und gegenwärtig meistens benutzten Sonnenenergiekollektoren
zur Warmwasserbereitung und allgemein zur Erwärmung von Flüssigkeiten bestehen im
allgemeinen aus mehrschichtigen flachen Tafeln, und zwsr aus einer durchsichtigen
Platte, einer schwarzen, undurchsichtigen Platte zur Absorption der Strahlen, über
die das Wasser oder allgemeiner die zu erwärmende Flüssigkeit fliesst, und schliesslich
einer darunterliegenden, dicken Isolierschicht.
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Die aligemein aus Glas, aber auch aus Kunststoff bestehende, durchsichtige
Platte begrenzt einen Isolierraum von einigen Zentimetern auf der absorbierenden
Platte und vermindert somit die Wärmerückstrahlverluste nach aussen; im allgemeinen
ist ein solcher Raum ein einfacher Zwischenraum mit stehender Luft, er könnte aber
auch direkt eine Vakuumkammer sein, falls in seiner Umgebung ein geeignetes Dichtungssystem
vorgesehen ist.
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Tatsächlich würde das Vorhandensein einer Vakuumkammer um den Absorptionskörper
herum die Wärmeverluste durch Wärmeleitung und -konvektion nach aussen auf Null
reduzieren und die Leistung der Anordnung stark erhöhen.
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Falls es jedoch zur praktischen Durchführung kommen soll, macht das
Bestehen einer Vakuumkammer, die für unbestimmte
Zeit eine solche
bleiben soll, ohne den durchgehenden oder intermittierenden Betrieb einer Vakuumpumpe
zu erfordern, die Idee einer flachen Platte praktisch undurchführbar.
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Tatsächlich würde die Notwendigkeit von Dichtungen für ein statisches
Vakuum im allgemeinen von rechteckiger Form zwischen der durchsichtigen und Absorptionsplatte
und das Erfordernis eines gegen den Luftdruck tragfähigen Innenaufbaus die Herstellungskosten
der Platte untragbar machen.
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Aus diesem Grunde wird gewöhnlich bei flachen Platten auf das Vorhandensein
der Vakuumkammer verzichtet. Ein weiterer Nachteil der flachen Platten besteht darin,
dass diese eine gute Energieabsorption aufweisen, wenn die Sonneneinstrahlung lotrecht
auf ihre Oberfläche fällt oder auch unter kleinem Einfallswinkel auf diese Oberfläche
gelangt.
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Jedoch verringert sich dieser Wert erheblich, wenn die Sonne sich
deutlich aus dieser Richtung bewegt, sei es, weil die Oberflächenausdehnung von
der Sonne aus gesehen verkleinert ist, aber auch und vor allem deshalb, weil bei
Lichteinfall auf die transparente Platte in wahrnehmbar schräger Richtung ein grosser
Teil der Lichtstrahlung durch Reflexion verlorengeht. Dem letzteren Nachteil könnte
man natürlich abhelfen, wenn man während des ganzen Tages von der Morgen- bis zur
Abenddämmerung bewegliche Platten vorsehen würde, die ungefähr stetig dem Lauf der
Sonne folgen könnten, aber dies würde die Kosten in untragbarer Weise erhöhen und
den Einsatz von mechanischen und automatischen
Vorrichtungen von
zwei£elha fter Zuverlässigkeit erfordern, sobald sie wahrend längerer Zeit den Witterungsunbilden
ausgesetzt sind.
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Nach dem Hauptmerkmal der Erfindung weist der betreffende Kollektor
einen zylindrischen Behälter aus für Lichtstrahlen durchlässigem Material, ein Rohr
für den Umlauf der Flüssigkeit in beiden Richtungen parallel zur Achse des Behälters,
eine profilierte Spiegelfläche mit schein-elliptischem Querschnitt für jede Richtung
und längs des Flüssigkeitsumlaufes, Trag- und Zentrierelemente für diese Fläche
auf, wobei das Ein- und Auslaufende des Flüssigkeits-Umlaufrohres dichtschliessend
am zylindrischen Behälter befestigt sind.
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Nach einem weiteren Merkmal der Erfindung besteht die profilierte
Spiegelfläche aus zwei gleichen elliptischen Profilen, deren grössere Achsen parallel
und um etwa zwei Drittel der kleineren Halbachse versetzt sind.
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Der Sonnenwärmekollektor nach der Erfindung behebt zu einem grossen
Teil die vorerwähnten Nachteile. Vor allem besteht der widerstandsfähige Grundaufbau,
der auch die äussere Hülle der gesamten Anordnung darstellt, aus einem zylindrischen
Glasrohr mit rundem Querschnitt und völliger Abdichtung. Die einzigen Burchtritte
zwischen dem Innen- und dem Aussenraum des Rohres sind zwei vollkommen vakuumdichte
Durchführungen aus Glas und Metall, die die Ein- und Auszrittsstellen für die anzuwärmende
Flüssigkeit bilden. Die
zu erwärmende Flüssigkeit, im allgemeinen
Wasser, fliesst innerhalb eines undurchsichtigen, sngeschwärzten Rohres aus rostfreiem
Stahl, das in Ubereinstimmung mit der Ein-und Austrittsstelle der Glashülle direkt
an die entsprechende Glas/Metall-Durchführung geschweisst ist. Es ist hieraus zu
erkennen, dass bei der beschriebenen Anordnung das Vorhandensein irgendwelcher Dichtungen
vermieden werden kann, da lediglich vollkommen vakuumdichte Schweissungen verwendet
werden.
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Als ersten Vorteil kann die Anordnung praktisch zeitlich unbegrenzt
und ohne Anwendung kostspieliger Saugvorrichtungen das Vakuum im Innern sufrechterhalten.
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Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass, da die Hülle durchsichtig
und zylindrisch ist, wenn die Hülle rechtzeitig mit der dem Süden zugewandten, axialen
Symmetrieachse so eingestellt wird, dass die Strahlung längs dieser Ebene und lotrecht
zur Achse der Hülle während der Sonnenbewegung über einen grossen Teil des Tages
einfällt, stets ein grosser Bereich der zylindrischen, durchsichtigen Flache vorhanden
ist, auf den die einfallende Strahlung in praktisch rechtwinkliger Richtung, d.h.
mit einem kleinen Einfallswinkel und somit mit geringen Reflexionsverlusten, gelangt
(bestehend aus dem zylindrischen Oberflächenbereich um die in Richtung zur Sonne
gekehrte Brzeugungslinie).
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Jedoch der Hauptvorteil der Anordnung ist dadurch gegeben, dass der
innere Kollektor.so ausgeführt ist, dass er,
ohne Bewegungen auszuführen,
einen guten Teil der einfallenden Sonnenstrflhlung während der Weiterbewegung derselben
Strahlung um einen Bogen von etwa 900 (450 von einem Teil und 450 vom anderen Teil)
um die axiale Symmetrieachse aufnehmen und zurückbehalten kann, was einem Zeitraum
von mehreren Stunden im Bogen des Tages um den Süden entspricht.
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Die Absorptionszeit der Sonnenstrahlung könnte natürlich dadurch erhöht
werden, dass die Anordnung mit der Möglichkeit, zwei oder drei verschiedene Stellungen
einzunehmen, ausgestattet wird; z.B. mit einer Einrichtung, die auch nur 3 verschiedene
Stellumgen im Bogenabstand von etwa 300 voneinander, ein Abstand für den Morgen,
einer für den Mittag und einer für den Nachmittag, einnehmen kann, wäre es möglich,
Sonnenenergie mit guter Leistung praktisch längs des gesamten Tagesbogens von Sonnenaufgang
bis zum Sonnenuntergang und ohne die Notwendigkeit, allmählich in stetiger Bewegung
dem Lauf der Sonne tagsüber zu folgen, aufzunehmen, wie es bei einer flachen Platte
wünschenswert wäre.
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Der beschriebene Kollektor könnte zum Verkleiden lotrechter Flächen,
wie die nach Süden gekehrten Wände von Gebäuden dienen; in diesem Falle würde ein
bestimmte Zahl von Kollektoren parallel zur horizontalen Achse und nebeneinander
längs der lotrechten Wand des Gebäudes angebracht. Auf diese Weise hätte man den
Vorteil, nicht nur die Dächer, sondern auch die lotrechten Wände zum Sammeln der
Sonnenenergie ausnutzen und die Eollektoren leichter vor den Witterungseinflüssen
(Hagel,
usw.) schützen zu können.
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Der Sonnenkollektor nach der Erfindung wird nun nachstehend beschrieben
und anhand der beigefügten Zeichnungen veranschaulicht.
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Fig. 1 zeigt das den Sonnenkollektor bildende Element durch den transparenten
Zylinder gesehen, der eine vakuumdichte Glashülle von ca. 100 mm Durchmesser darstellt;
Fig. 2 stellt einen Querschnitt senkrecht zur Zylinderachse dar. In Fig. 1 erkennt
man das von aussen angeschwärzte, undurchsichtige Rohr 1 aus rostfreiem Stahl, in
dem die zu erwärmende Flüssigkeit strömt. Das Rohr ist U-förmig in der Glashülle
gebogen, wo der Kollektor zweimal, nämlich hin und zurück, verläuft, um zu vermeiden,
dass das Glas Wärmespannungen unterworfen wird. Aus demselben Grund ist die Verbindungskrümmung
zwischen dem Trakt hin und dem Trakt zurück profiliert, um eine Art Leier zu bilden,
so dass die Differentialwärmedehnungen zwischen den beiden Rohrstrecken aufgenommen
werden können. Das Rohr besteht aus rostfreiem Stahl und hat einen äusseren Durchmesser
von 12 tr und einen inneren Durchmesser von 10 mm; die Gesamtlänge des Rohres zwischen
hin und zurück beträgt ca. 3 in.
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Das Eintrittsende 2 für die zu erwärmende Flüssigkeit liegt ausserhalb
der Glashülle und wird in Reihe oder parallel zu den übrigen Kollektoren geschaltet.
Das Austrittsende 3 liegt ebenfalls ausserhalb der Glashülle neben dem Eintrittsende
(s. Pfeil).
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Mit 4 ist die vakuumdichte Durchführung für das Eintrittsende bezeichnet,
dessen metallischer Teil um das Rohr aus rostfreiem Stahl herum geschweisst und
dessen Glasteil mit dem Hüllenglas verbunden ist, wodurch der Innenraum vakuumdicht
um das Kollektorrohr herum abgegrenzt wird.
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Die Durchführung 5 mit Abdichtung für das Austrittsende ist gleich
der vorhergehenden und liegt neben dieser. Das Kollektorrohr 1 ist innerhalb der
Glashülle mittels der Zentrierplättchen 6 zentriert.
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Der Kollektorspiegel 7 ist in Aluminiumspiegelfolie ausgeführt, einfach
gefaltet und wird in vorgegebener Lage zwischen der Glashülle durch eine eingelegte
Stützlamelle 9 gehalten (Fig. 2).
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Das Spiegelprofil ist in der beigefügten Fig. 2 dargestellt.
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Dieses ist gedoppelt, wobei die beiden Rohre parallel nebeneinander
innerhalb des Kollektors (Hin- und Rückweg der zu erwärmenden Flüssigkeit) liegen.
Auf diese Weise lässt sich auch der verfügbare Raum zwischen der Glashülle besser
ausnutzen. Somit bildet ein Spiegel eine reflektierende Fläche um das Rohr auf dem
Hinweg und der andere eine reflektierende Fläche um das Rohr auf dem Rückweg.
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Im allgemeinen sind in solchen Fällen Spiegel mit parabolischem Profil
denkbar, wobei das zu erwärmende Rohr entsprechend dem Fokus eingestellt ist. Es
lässt sich aber auch sofort erkennen, dass sich diese Anordnung sehr gut unter der
Bedingung eignet, dass der Parabolspiegel stetig
dem Lauf der Sonne
folgen kann, so dass die durch die Parabelachse gehende Symmetrieachse stets parallel
zur einfallenden Strahlung verläuft. Tatsächlich kann schon bei wenigen Graden Abweichung
ein grosser Teil der einfallenden Strahlung sich dem Rohr entziehen und nach einer
Reihe von Reflexionen nach aussen zurückkehren. Ean nimmt nun Spiegel mit nach viel
komplizierteren Kurven ausgeführten Profilen zu Hilfe, die jedoch praktisch schwierig
auszuführen sind. Es wurde die Möglichkeit geprüft, einen auf relativ einfache Art
zu erhaltenden Spiegel zu verwenden, der trotzdem den gestellten Anforderungen genügt.
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Nach einer Prüfung verschiedener möglicher Profile wurde festgestellt,
dass für einen feststehenden Kollektor der geeignetste zu verwendende Spiegel derjenige
sein kann, dessen Profil so erhalten wird, dass zwei elliptische Profile nebeneinander
gesetzt werden. In diesem Fall spricht man nicht von einem Fokus, sondern von einem
ausgedehnteren Bereich, innerhalb dessen alle einfallenden Strahlen nach einer oder
mehreren Reflexionen verlaufen. In einem solchen Bereich befindet sich nun das zu
erwärmende Rohr. Jedoch der Vorteil besteht darin, dass, auch wenn die einfallenden
Strahlen nicht in der Richtung der Symmetrieachse ankommen, dieselben nach einer
oder mehreren Reflexionen stets in der oben erwahnten eingeschränkten Zone verlaufen.
Dies gilt natürlich innerhalb bestimmter Grenzen des Abweichungswinkels, in unserem
Fall innerhalb etwa 45° einerseits und andererseits der Symmetrieachse, einem mehr
als ausreichenden
Wert, um sich nicht nur einen Kollektor vorstellen
zu können, mit dem es nicht notwendig ist, genau dem Lauf der Sonne zu folgen, sondern
einen geradezu unbeweglichen, der mit seiner axialen Symmetrieachse nach dem Süden
gerichtet ist.
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Auf diese Weise erreicht man auch mit einem unbeweglichen Kollektor,
dass ein grosser Teil der einfallenden Strahlung während eines ausreichend langen
Zeitraumes von gewöhnlich etwa 6 Stunden um die Wende des Mittags aufgenommen wird.
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Die Mssse des bisher ausgeführten Prototyps betragen 100 mm für den
Aussendurchmesser des Glasrohres bei 93 mm für den Innendurchmesser und einer Länge
von etwa 1,5 m. Das die zu erwärmende Flüssigkeit enthaltende Glasrohr aus nichtrostendem
Stahl und mit geschwärzter, undurchsichtiger Aussenfläche hat einen Aussendurchmesser
von 12 mm und einen Innendurchmesser von 10 mm. Die beiden hin und zurück verlaufenden
Rohrteile liegen innerhalb des Glasrohrs mit einer Zwischenachse von 43 mm,und ihre
Achse befindet sich 26 mm unter der Achse des Glasrohres. Die beiden Aluminiumspiegel,
derjenige für das fortgehende und für das zurück kehrende Teilstück, liegen parallel
nebeneinander, wobei sie in der Weise hergestellt werden, dass Aluminiumspiegelfolie
von ca. l mm Stärke entsprechend gebogen wird.
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Jeder der beiden Spiegel hat seinerseits ein Profil, das durch Nebeneinanderlegen
zweier elliptischer Profile erhalten wird, die einen Teil dieser Ellipse mit einer
grösseren
Halbachse von 48 mm und einer kleineren Halbachse von
15 mm bilden.
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Die Mitten der beiden nebeneinanderliegenden, elliptischen Profile
haben zwischen sich einen Abstand von 10 tm5 so dass das entstehende Profil eine
Spitze in der unteren, mittleren Zone unter dem zu erwärmenden Rohr, d.h. entsprechend
dem Schnittpunkt der beiden elliptischen Profile aufweist. Die Höhe der Spiegel
ist gleich der grösseren Halbachse der Ellipse,und die Spiegel sind so angeordnet,
dass ihr oberer Rand sich ca. 12 mm über der Achse des Glasrohres befindet. Die
beiden nebeneinanderliegenden Spiegel sind unter sich mittels Punktschweissung oder
mittels Nleten mit einem mittleren, lotrechten Blech 9 verbunden, das als Stütze
innerhalb des Glasrohres dient. Dieses Blech kann in einigen Bereichen eingeschnitten
und umgeschlagen werden, so dsss einige Seitenfüsschen 10 zur besseren Zentrierung
der Spiegel gebildet werden. Das zu erwärmende Rohr dagegen kann an den beiden Enden
zwischen dem Glasrohr über zwei querliegende Zentrierbleche 6 zentriert werden.
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Der beschriebene Kollektor kann in Batterien in Serien/Parallel-Schaltung
mit weiteren gleichen Kollektoren benutzt werden, die so nebeneinander gelegt werden,
dass sie eine bestimmte Fläche bedecken. Die Einstellung dieser Fläche zwischen
der Waagerechten und der Senkrechten wird zweckmässig so gewählt, dass die beste
Leistung unter Berücksichtigung der geographischen Breite der Anlage und Station
erreicht werden kann.
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Es lässt sich jedoch ersehen, dass mit einfacher, geometrischer Kontrolle
aufgrund elementarer Reflexionsgesetze bei einem Ausschlag von ca. 900 aufgrund
der einfallenden Strahlung um die Wende der axialen Symmetrieebene der Anordnung
die Strahlung praktisch immer auf das zu erwärmende Rohr einfällt.
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Eine Verbesserung der beschriebenen Anordnung lässt sich bei dem zu
erwärmenden Rohr ausführen, das, anstelle eines geschwärzten und mittels Lackierung
undurchsichtigen Rohres aus nichtrostendem Stahl aus einem Rohr mit selektiver Oberfläche,
d.h. mit ausserhalb in geeigneter Weise behandelter Oberfläche,bestehen kann, um
ein Absorptionsmaximum der Sonneneinstrahlung und ein Emissionsmininum im infraroten
Gebiet zu erreichen. Dies geschieht durch Belegen der Aussenfläche mit einem aus
Metalloxiden bestehenden, dünnen Film.
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Die absorbierende Aussenfläche des Rohres kann auch durch Verwendung
von Rippen oder Riefelungen parallel zur Rohrachse gewellt sein, um das entstehende
Absorptionsvermögen weiterhin zu erhöhen und die Reflexionsverluste derselben Absorptionsfläche
zu vermindern.
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Eine Abwandlung der beschriebenen Anordnung kann darin bestehen, dass
für den Durchlauf der zu erwärmenden Blüssigkeit ein Glasrohr verwendet wird, dessen
Aussenfläche durch geeignete Behandlung absorptionsfähig und selektiv gemacht wird.
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Diese Variante, bei der der gesamte Bauteil des Kollektors (Behälter
und Rohr für den Durchtritt der zu erwärmenden Flüssigkeit) in Glas ausgeführt wird,
ermöglicht den Verzicht auf das Vorhandensein der beiden Glas/Metall-Durchführungen
an den Eintritts- und Austrittsstellen der Kühlrohre, wodurch eine erhebliche Ersparnis
erreicht wird. Die Anwendung des Kühlrohres aus Glas ermöglicht ihrerseits zwei
weitere Varianten der Anordnung nach der Erfindung.
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Die erste Variante hierzu besteht darin, dass für den Durchtritt der
Kühlflüssigkeit statt eines Glssrohres mit gesclirrzter und absorbierender Aussenfläche
ein Rohr aus transparentem Glas und in diesem Fall eine schwarze Kühlflüssigkeit
verwendet wird, die selbst die sichtbare Strahlung aufnimmt. Die auf den Kollektor
einfallende und vom hluminiumspiegel reflektierte, sichtbare Strahlung kommt so
auf de transparenten Innenrohr an und erwärmt die im Innern strömende Flüssigkeit.
Diese Variante des Kühlrohres aus transparentem Glas ermöglicht ihrerseits eine
zweite weitere Abwandlung der erfindungsgemässen Anordnung. Tatsächlich war die
U-förmige Anordnung des Kühlrohres innerhalb des Kollektors mit Flüssigkeitsumlauf
in beiden Richtungen hin und zurück vor allem dazu erforderlich, zu hohe Wärmespannungen
zwischen dem (warmen) Innenrohr und dem (kalten) Behälter zu vermeiden, stellte
jedoch unstreitig eine technisch kompliziertere Ausführung dar. Andererseits war
diese Idee mit einem Kühlrohr aus Metall oder geschwärztem Glas
vor
allem im Hinblick auf die Möglichkbit des Ausbleibens des Kühlflüssigkeits-Utnlaufs
durch Stromausfall notwendig, wenn dieser auch nur vorubergehender Natur war.
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In solchem Fall würde die Temperatur des der Sonne ausgesetzten, geschwärzten
Rohres in kurzer Zeit so erhöht, dass es wahrscheinlich zu einem Bruch des Kollektors
kommt, falls das innere Kühlrohr den Kollektor von einem Ende zum anderen durchquert
hat, da es an den Enden fest angebracht ist.
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Mit einem Kühlrohr aus durchsichtigem Glas ist dagegen eine Variante
der vorgeschlagenen Anordnung vorstellbar, bei der das erwähnte Rohr in geradliniger
Anordnung zu der zur Kollektorachse parallelen Achse mit einem einzigen Durchtritt
den Kollektor von einem Ende zum anderen durchquert.
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Jedoch auch im Fall des Ausbleibens der Kühlflüssigkeit durch den
einen oder anderen Zufall würde die Natur des durchsichtigen Rohres selbst zu starke
Temperaturveränderungen zwischen den verschiedenen Teilen des Kollektors verhindern.
Der nach dieser letzteren Abwandlung ausgeführte Kollektor ähnlich der in Fig. 2
aufgeführten Art ist nun sehr einfach und hat den in beigefügter Fig. 3 angegebenen
Querschnitt.
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Der den Gegenstand der Erfindung bildende Sonnenwärmekollektor ist
in jedem Fall nicht auf die vorliegende Beschreibung beschränkt. Es können weitere
Varianten und Veränderungen vorgenommen werden, ohne dass damit der Rahmen der Erfindung
verlass; wXirZd
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