DE3045605A1

DE3045605A1 - Sonnenwaermekollektor

Info

Publication number: DE3045605A1
Application number: DE19803045605
Authority: DE
Inventors: Atsuyuki Nara Katto; Mitsuhiro Shimada
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 1979-12-22
Filing date: 1980-12-03
Publication date: 1981-07-09
Also published as: AU6496980A; US4409964A; DE3045605C2; JPS5846365Y2; JPS5696258U; CA1183419A; AU535544B2

Description

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BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft einen Sonnenwärmekollektor gemäß dem Oberbegriff des Patenthauptanspruchs.

Allgemein unterscheidet man zwischen zwei Arten von Sonnenwärmekollektoren, und zwar einmal solchen bei denen ein Übertragungsfluid,beispielsweise Wasser in einen rechteckigen Kasten eingeleitet und umgewälzt wird und andererseits solchen Typen, bei denen ein dünnes Kupferrohr in ein zylindrisches Vakuum-Glasrohr zur Zuführung eines geeigneten Übertragungsfluids eingebracht ist. Besteht der Zweck in der Klimatisierung unter Verwendung von Sonnenenergie, so ist nur das genannte Vakuum-Rohr als wirksam im Sinne einer ausreichenden Erhöhung der Temperatur des Ubertragungsmittels auf einen gewünschten Wert anzusehen. Sonnenwärmekollektoren in Form von Vakuum-Rohren sind also vielversprechender; es besteht jedoch nach wie vor eine Reihe von Schwierigkeiten, insbesondere hinsichtlich der Herstellungsverfahren und der Betriebs-Lebensdauer.

Zur genaueren Erläuterung der auftretenden Probleme soll zunächst auf die Fig. 1 und 2 Bezug genommen werden. Diese Figuren zeigen ein äußeres Glasrohr 1, das als lichtdurchlässige oder transparente Abdeckung und als Gehäuse dient, in dem eine zylindrische Flügel- oder Rippenkonstruktion 2 angeordnet ist, die auf einem Teil ihrer äußeren Oberfläche zumindest partiell mit einer Absorptionsschicht überdeckt ist, die üblicherweise aus Aluminium besteht und mittels eines bekannten Extrusionsverfahrens hergestellt ist. Ein wärmesammelndes oder Wärmekollektorrohr 3 - üblicherweise aus Kupfer - steht in wärmeleitendem Kontakt mit

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der zylindrischen Rippenkonstruktion 2 und bildet so einen Kanal oder Durchlaß für ein Wärmetransport- oder Übertragungsmedium, das durch Entzug von in der zylindrischen Rippenkonstruktion 2 absorbierter Wärme erwärmt wird. Ein Ende des Glasrohrs 1 ist durch eine Dichtung 4 verschlossen. Um einen dichten Abschluß an der Dichtung 4 des äußeren Glasrohrs 1 zu erreichen, ist es zweckmäßig, für die Dichtung 4 ein Material zu verwenden, das wenigstens annähernd denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzt, wie das Glasrohr 1, beispielsweise eine Legierung auf Eisen-Nickel-Chrom-Basis, während die Dichtung mit dem äußeren Glasrohr 1 unter Verwendung eines geeigneten Klebstoffs, beispielsweise niedrigschmelzender Glasfritte zu verbinden ist. Im übrigen wird die Dichtung 4 am Sammelrohr 3 mit Hilfe von Wachs festgelegt. Das äußere durch die Dichtung 4 verschlossene Glasrohr 1 bildet eine Vakuum- oder unterdruckkammer. Ein Vakuum-Hohlraum 5 ist durch das äußere Glasrohr 1 und die Dichtung begrenzt und steht unter Unterdruck, wobei eine Vakuumpumpe über ein nichtgezeigtes Ansaugrohr angeschlossen ist. Ein Disstanzstück 6, beispielsweise aus keramischem Material dient zur positionsgenauen Festlegung der zylindrischen Rippenkonstruktion innerhalb des äußeren Glasrohrs 1. Da das Rohr außerhalb der Mitte des äußeren Glasrohrs 1 liegt, wirken thermische Ausdehnungskräfte nicht gleichmäßig auf die Dichtung 4,so daß im Verbindungsbereich unter Umständen wenigstens partiell Störungen auftreten können, obgleich geeignet Maßnahmen zur Aufnahme derartiger ungleichmäßig wirkender Kräfte vorgesehen sind. Es ist dazu insbesondere notwendig, daß das Glasrohr 1, die Dichtung 4 und der Klebstoff 7 im wesentlichen denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, damit eine dichte und dauerhafte Haftverbindung gegeben ist. Geeignete Dichtungsmaterialien sind beispielsweise Fe-Ni-Legierungen

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sowie die Legierung "426" in Verbindung mit Natronglas und Kover in Verbindung mit Hartglas der Klasse II. Als geeigneter Klebstoff kommt beispielsweise Glas mit niedrigem Schmelzpunkt und einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten infrage, der demjenigen des Glasrohrs und der Dichtung entspricht. Wird ein metallisches Material, etwa die Legierung "426" und Kover der Atmosphäre ausgesetzt, so sind Störungen durch Rostansatz bzw. durch Korrosion unvermeidlich. Solche Materialien sind also für die Verwendung in Solarwärmekollektoren nicht geeignet. Eine Rostschutzbehandlung der Oberfläche der metallischen Materialien wird dann notwendig und erfolgt in der Praxis durch Beschichtung mit Rostschutzüberzügen. Eine derartige Behandlung ist jedoch für lange Zeiträume nicht ausreichend zuverlässig.

Außerdem tritt folgendes Problem auf: Besteht die Dichtung 4 des äußeren Glasrohrs 1 aus Metall, so wird eine beträchtliche Wärmemenge von der Dichtung 4 abgegeben. Da die Dichtung 4 tellerförmig ausgebildet ist, kann sie sich relativ leicht unter den Einfluß des äußeren Atmosphärendrucks verformen.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen Sonnenwärmekollektor zu schaffen, bei dem keine oder im wesentlichen keine metallischen Materialien für Verbindungszwecke, im Bereich von Dichtungen und dergleichen verwendet werden und bei dem sehr geringe Wärmeverluste auftreten und keine Korrosionsgefahr besteht.

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Bei einem Sonnenwärmekollektor nach der eingangs genannten Gattung ergibt sich die Erfindung im einzelnen aus dem kennzeichnenden Teil des Hauptanspruchs.

Vorteilhafte Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind in Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß wird für die Dichtung ein thermisch
nichtleitendes korrosionsbeständiges Material verwendet,
dessen Erweichungspunkt höher liegt als der des Materials für das lichtdurchlässige Rohr. Insbesondere wird für die Dichtung ein Keramikmaterial oder kristallisiertes Glas
verwendet.

Die Erfindung und vorteilhafte Einzelheiten werden

nachfolgend unter Bezug auf die Zeichnung in beispielsweiser Ausführungsform näher erläutert. Es zeigen:

die Schnittdarstellung eines Sonnenwärme-

kollektors herkömmlicher Bauart;

die vergrößerte Teilschnittdarstellung eines wesentlichen Teils des bekannten Sonnenkollektor; die Schnittdarstellung eines Sonnenwärmekollektors mit erfindungsgemäßen Merkmalen und

Fig. 4 die Schnittdarstellung einer anderen Ausführungsform der Erfindung.

Der bekannte Sonnenkollektor gemäß den Figuren 1 und wurde oben bereits erläutert. Einander entsprechende Bauteile sind mit den gleichen Bezugshinweisen gekennzeichnet.

Fig.	1
Fig.	2
Fig.	3
Fig.	4

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Bei dem Bauelement nach Fig. 3 ist ein Abstands- oder Distanzstück 8 an einem Ende mit der zylindrischen Rippenkonstruktion 2 verbunden und in der Mitte, also konzentrisch zum Glasrohr 1 befestigt. Über ein Absaugrohr 9 kann das Glasrohr 1 evakuiert werden. Eine teller- oder kuppeiförmige Dichtung 10 entspricht in ihren Abmessungen dem offenen Endbereich des Glasrohrs und besteht typischerweise aus kristallisiertem bzw. kristallinem Glas oder Keramik. Der äußere Umfangsrand der Dichtung 10 ist durch Anschmelzen mit dem offenen Endbereich des äußeren Glasrohrs 1 abdichtend verbunden, was sich aus Fig. 3 ersehen läßt. Die Dichtung 10 ist von Öffnungen 11 durchsetzt, die zur Durchführung des wärmesammelnden Rohrs 3 zur Außenseite des Glasrohrs 1 dienen. Eine hermetische Versiegelung oder Äbdichtung zwischen den öffnungen 11 und dem wärmesammelnden Rohr 3 ist durch die Verwendung eines geeigneten Abdichtmaterials gegeben, das im wesentlichen den gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten besitzt wie das Material der Dichtung 10, wobei beispielsweise bei Natriumglas die Legierung "426" verwendet wird. Da das wärmesammelnde Rohr 3 zumeist ein Kupferrohr ist und das metallische Dichtmaterial eine Metall-Metall-Verbindung ermöglicht, können beide auf bekannte Weise, etwa durch ein Silber-Wachsschmelzverfahren oder durch Verschweißen verbunden werden. Es ist ebenso möglich, das metallische Dichtmaterial 12 und die Dichtung 10 zu erwärmen, da beide denselben Wärmeausdehnungskoeffizienten haben. Auch ist die Verarbeitung und Herstellung der Klebeverbindung der Dichtung 10 mit dem Glasrohr 1 sehr einfa'ch, da auch in diesem Fall im wesentlichen die gleichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten vorliegen. Es wird davon ausgegangen, daß das Dichtmaterial 12 eine gute Adhäsion zur Dichtung 10 über ein Oxid erhält, das

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auf der Oberfläche des metallischen Dichtmaterials 12 abgeschieden wird und in das Dichtungsmaterial hineindiffundiert. Daraus ergibt sich, daß die Dicke des Dichtmaterials 12 möglichst gering sein und üblicherweise 6 bis 10 mm betragen sollte.

Zur Herstellung des Sonnenenergiekollektors gemäß Fig. 3 werden die Dichtung 10 und das Warmesammelrohr 3, an dem zunächst die Rippenkonstruktion 2 befestigt worden ist, mittels des metallischen Klebe- bzw. Dichtungsmaterials 12 dicht miteinander verbunden. Dann wird die so vorbereitete Gesamtanordnung von der mit den Rippen versehenen Seite 2 der Wärmesammeielemente in das Glasrohr 1 eingeschoben. Nach der gegenseitigen Ausrichtung der Baugruppen werden das offene Ende des Glasrohrs 1 und der äußere Umfangsrand der Dichtung 10 erwärmt und miteinander festhaftend verbunden. Bestehen das Glasrohr 1 und die Dichtung aus genau dem gleichen Material, so ist es wahrscheinlich, daß sowohl die Dichtung 10 als auch das Glasrohr 1 aufgrund der hohen Temperaturen während des Verbindungsvorgangs verformt werden·. Dieses Problem tritt jedoch dann nicht auf, wenn die Dichtung 10 erfindungsgemäß vorzugsweise aus Keramikmaterial bzw. kristallisiertem Glas besteht. In diesem Fall tritt keine Verformung bei Erwärmung des Glasrohrs 1 bis zum Erweichungspunkt auf, so daß der Verbindungsvorgang insbesondere bei Prozessen der Massenherstellung wesentlich vereinfacht ist und sicher beherrschbar wird.

Für die Dichtung 10 verwendete Keramikmaterialien werden üblicherweise bei Temperaturen über 1000⁰C gesintert und sind so wärmebeständig, daß sie sich im Bereich des Erwärmungspunkts des Glasrohrs 1 (beispielsweise im Bereich

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von 500⁰C bis 600⁰C), aber auch bei der Verbindungstemperatur (800⁰C bis 1000⁰C) nicht verformen. Kristallisiertes Glas zeigt im wesentlichen die gleiche Wärmebeständigkeit. Keramikmaterialien und kristallisiertes Glas zeigen außerdem eine wesentlich bessere Festigkeit als herkömmliche Glasmaterialien für den genannten Zweck; sie lassen sich gut formen und es ist technisch ohne weiteres möglich, den thermischen Ausdehnungskoeffizienten so zu wählen, daß er in Übereinstimmung mit dem Ausdehnungskoeffizienten des für das Glasrohr 1 verwendeten Glases ist.

Es ist damit möglich, den offenen Endbereich des Glasrohrs mit der Dichtung 10 festhaftend und abdichtend zu verbinden, und zwar im wesentlichen in gleicher Weise wie bei der herkömmlichen metallischen Dichtung 4. Besteht die Dichtung 10 erfindungsgemäß aus Keramik oder kristallisiertem Glas, so zeigt sich außerdem eine hervorragende Wetterbeständigkeit (einschließlich Beständigkeit gegen wärmebedingte Ausdehnung bzw. Kontraktion bei Temperaturschwankungen im Laufe der Zeit). Außerdem ergibt sich ein erheblicher Vorteil daraus, daß die thermische Leitfähigkeit ganz wesentlich niedriger liegt als bei Metall. Die erfindungsgemäße Dichtung 10 wirkt damit nicht als Wärmeleiter, d.h. der Wärmeverlust über die Dichtung ist sehr gering und auch der Grad des Hoch-Vakuums läßt sich über viel längere Zeiträume garantieren, da im Gegensatz zur herkömmlichen Dichtung 4 aus Metall keine Korrosion mit darauffolgender Verschlechterung der Abdichtwirkung zu befürchten ist.

Die Fig. 4 zeigt eine andere bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, bei der das warmesammelnde Rohr 3 und die Dichtung 10 miteinander verbunden sind ohne Verwendung des

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metallischen Versxegelungsmaterials 12. In diesem Fall wird die Innenfläche der öffnungen 11 in der Dichtung 10 zuvor entweder durch Dampfniederschlag im Vakuum oder durch eine Aufsprühtechnik metallisiert, wobei ein Metall verwendet wird, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient jenem der Dichtung 10 entspricht. Sodann wird das Wäremsammelrohr 3 durch die Öffnungen 11 eingesetzt und mit Silber überzogen.

Obgleich bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung die Dichtung 10 aus Keramik oder kristallisiertem Glas hergestellt ist, dürfte es für den Fachmann ersichtlich sein, daß auch andere Materialien dafür infrage kommen, soweit sie insbesondere nicht oder praktisch nicht wärmeleitend und ausreichend korrosionsbeständig sind und einen Erweichungspunkt aufweisen, der höher liegt als der des Glasmaterials für das lichtdurchlässige Rohr 1.

Die wesentlichen Vorteile des erfindungsgemäßen Sonnenwärmekollektors sollen nochmals summarisch aufgezählt werden. Dazu gehören

- wesentlich geringerer und praktisch vernachlässigbarer Wärmeverlust;

- die Qualität des Vakuums kann wesentlich längere Zeit garantiert werden, da eine Beeinträchtigung durch Korrosionserscheinungen an der Dichtung nicht auftreten;

- eine Verformung der Dichtung beim Verbindungsvorgang mit dem transparenten Rohr tritt nicht auf, und

- die erfindungsgemäße Dichtung eignet sich insbesondere für eine kostengünstige Massenherstellung, wobei die Ausschußquoten wesentlich verringert sind.

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ORIGINAL INSPECTED

Claims

ER MEER-MÜLLER-STEINMEISTER

Beim Europäischen Patentamt zugelassene Vertreter — Professional Representatives before the European Patent Office ·,! ndatalros agrees pres !'Office europeen des brevets

Dipl.-ChetTi. Dr. N. tor Meer Dip! -Ing. H. Steinmeister Α£ί' ^MÜIIer Siekerwal, 7,

D-8OOO MÜNCHEN 22 D-48OO BIELEFELD 1

1541-GER-K 3. Dezember 1980

SHARP KABUSHIKI KAISHA

22-22, Nagaike-cho, Abeno-ku, Osaka, Japan

Sonnenwärmekollektor

Priorität: 22. Dezember 1979, Japan, Ser.Nr. 54-184258

PATENTANSPRÜCHE

Sonnenwärmekollektor mit

- einem zylindrischen, transparenten und evakuierten Rohr, das an einem offenen Ende durch eine Dichtung hermetisch verschlossen ist, und

- einem innerhalb des transparenten Rohrs angeordneten wärmeaufnehmenden Rohr, dessen Endbereich aus dem transparenten Rohr herausragt,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung (10) aus einem nicht-wärmeleitenden und nichtkorridierenden Material besteht, dessen Erweichungspunkt höher liegt als der des transparenten äußeren Rohrs.

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ORIGINAL INSPECTEC

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2. Sonnenwärmekollektor nach Anspruch 1,

dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung aus Keramik oder kristallisiertem Glas besteht.
3. Sonnenwärmekollektor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtung wenigstens eine Öffnung zum Einbringen des wärmeaufnehmenden Rohrs aufweist und daß die Innenfläche dieser öffnung mit einer Metallschicht belegt ist, wobei das verwendete Metall so gewählt ist, daß sein thermischer Ausdehnungskoeffizient im wesentlichen dem des Dichtungsmaterials entspricht.

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