DE3048478A1

DE3048478A1 - Verbesserter doppelwandiger sonnenenergiekollektor aus glas

Info

Publication number: DE3048478A1
Application number: DE19803048478
Authority: DE
Inventors: Rodney Victor Sylvania Ohio White
Original assignee: Owens Illinois Inc
Current assignee: OI Glass Inc
Priority date: 1979-12-26
Filing date: 1980-12-22
Publication date: 1981-09-10
Also published as: IT1128705B; JPS56100272A; IT8050409A0; AU520673B2; ES8200951A1; AR225483A1; BR8008469A; PT72259B; FR2472727A1; PT72259A; GB2066447A; ES498138A0; US4291680A; GR72795B

Description

Begründung:

Die neue Erkenntnis, daß die Weltvorräte an fossilen Brennstoff reserven schnell erschöpft sein werden, gab Anregung zu starker Entwicklungstätigkeit zum Zwecke des Einfangens von Sonnenenergie und des Umsetzens dieser Energie in eine Form, in welcher sie die Abhängigkeit von fossilen Brennstoffen als Hauptenergiequelle verringert. Viele dieser vorgeschlagenen Einrichtungen weisen Glasrohre, insbesondere doppelwandige energieabsorbierende Glasrohre auf, die in mehreren früheren Patentschrift bekanntgemacht wurden, wobei zwei Glasrohre konzentrisch, jedoch radial in einem Abstand zueinander angeordnet und deren axiale Enden abgedichtet sind, so daß der ringförmige Raum zwischen dem inneren und äußeren Glasrohr luftleer gepumpt werden kann. Dann wird ein energieabsorbierender Belag auf die Außenfläche des Innenrohrs aufgetragen, der dazu dient, die meiste Energie, die auf das äußere Glasrohr fällt im inneren Glasrohr zu bündeln; diese Energie kann dann nützlichen Zwecken dadurch zugeführt werden, daß ein Wärmeübertragungsmittel (Strömungsmittel) durch die Bohrung des inneren Glasrohrs geleitet wird.

Muster für diese Einrichtungen sind in den US-Patentschriften Nos. 980 505, 1 946 184 und 2 141 330 beschrieben. Obwohl alle diese frühen Patentschriften die Vorteile eines doppelwandigen Glasrohres mit einem luftleeren ringförmigen Raum als wirksame Vorrichtung zur Wärmebindung erkannten, war man sich auch der Tatsache bewußt, daß die Eigenerwärmung des inneren Rohrteiles des Doppelwandrohres zu einer ungleichmäßigen Wärmedehnung des

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inneren Glasrohres gegenüber dem äußeren Glasrohr führt. Daher wurde vorgeschlagen, daß balgenförmige Anschlüsse oder Abschnitte in das Innenglasrohr eingebaut werden, um ein Mittel zur Kompensation der ungleichmäßigen Wärmedehnung zu schaffen. Jedoch alle früheren Versuche, eine Balgenanordnung einstückig mit dem Innenglasrohr auszuformen, führten zu einer Schwächung des Innenrohrs und auch zu einer Verringerung des Wirkdurchmessers des Innenglasrohres, die, da das Innenglasrohr das hauptsächliche wärmebindende Element ist, zu einer Verringerung des Wirkungsgrades der Sonnenenergieaufnahme des Doppelwandrohres führt.

Somit besteht die Aufgabe der Erfindung darin, eine verbesserte Vorrichtung zur Aufnahme oder einen Absorber von Sonnenenergie in der Form einer doppelwand!gen Glashülle zu schaffen, dessen Innenrohr mit einem Sonnenenergie bindenden Werkstoff beschichtet ist, das von einem luftleeren Raum umgeben ist, wobei die unterschiedliche Wärmedehnung des inneren und äußeren Glasrohres der abgedichteten doppe1wandigen Konstruktion durch einen einstückig ausgeformten Balgenabschnitt im Innenrohr der neuartigen Auslegung kompensiert wird und keine Schwächung oder eine Verkleinerung des Wirkdurchmessers des Sonnenenergie absorbierenden Innenrohrs erfolgt.

Erfindungsgemäß ist die Ausformung eines einstückigen Balgens im inneren Glasrohr einer doppelwandigen wärmebindenden Glaszelle vorgesehen, wobei eine bestimmte axiale Strecke des inneren Glasrohres nach innen verformt wird, um mehrere bogenförmige gefaltete Formen zu. erzielen, wobei der so entstehende

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Balgen unterschiedliche Wärmedehnungen des inneren Glasrohrs gegenüber dem äußeren Glasrohr kompensieren kann, mit welchem es einstückig verbunden ist, ohne jedoch den Wirkdurchmesser oder die Stärke des inneren Glasrohrs zu verringern.

Weiter sind erfindungsgemäß die beiden Enden miteinander oder mit einer Strömungsmittelleitung axial fluchtend durch eine Muffe aus einem Elastomer miteinander verbunden, die die nebenliegenden, nach außen aufgeweiteten Teile des doppelwandigen Rohres umschließt, wobei dieses mit der Muffe durch eine Klemme oder Schelle dichtend verbunden ist. Versieht man die Schelle mit einer einstückig ausgeformten Grundplatte, die gegenüber einer Stützschiene gleitbar angeordnet ist, so können die Klemmenteile auch eine montierte Anordnung von erfindungsgemäßen doppelwandigen Sonnenenergie absorbierenden Rohren dienen.

Die Erfindung ist nachstehend näher erläutert. Alle in der Beschreibung enthaltenen Merkmale und Maßnahmen können von erfindungswesentlicher Bedeutung sein. Die Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch zwei benachbarte Teile von erfindungsgemäßen doppelwandigen, Sonnenenergie aufnehmenden Glaszellen, die durch eine erfindungsgemäße Klemmvorrichtung miteinander verbunden sind,

Fig. 2 eine perspektivische Ansicht in verkleinertem Maßstab mit Darstellung der Art und Weise, in welcher die doppelwandigen Rohre der Fig. 1 auf zwei Stütz- oder Trägerschienen montiert werden können,

Fig. 3 eine perspektivische Ansicht eines Aufbaus aus erfin-

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dungsgemäßen Sonnenenergie absorbierenden Rohren, wobei die Rohre waagerecht auf. einer schrägen Dachflache angeordnet sind,

Fig. 4 eine der Fig. 3 ähnliche Ansicht, wobei die Rohre senkrecht an einer schrägen Dachfläche angeordnet sind.

Ein erfindungsgemäßes doppelwandiges Sonnenenergie absorbierendes Rohr 10 ist in der Fig. 1 dargestellt. Das Rohr 10 umfaßt ein inneres, konzentrisch in einem äußeren durchsichtigen Glasrohr angeordnetes Glasrohr 11. Die Außenfläche 11a des Innenrohres ist mit einem von mehreren bekannten, Sonnenenergie absorbierenden Belägen beschichtet, der die auf das Äußere durchsichtige Rohr 12 auffallenden Sonnenstrahlen absorbiert und praktisch die gesamte Energie zwischen·den Wänden und dem Innenraum des Innenrohres 10 zurückhält. Ein wärmeleitendes Strömungsmittel wird normalerweise durch den Innenraum des Rohres 11 gepumpt, um die absorbierte Energie an einen Verbraucher weiterzuleiten.

Wie gewöhnlich sind die einzelnen axialen Enden 11b und 12b des Innenrohrs 11 und des Außenrohrs 12 in geeigneter Weise miteinander verschmolzen, z.B. durch Erwärmen der Rohrenden bis zum Fließzustand, worauf sie zusammengeführt und damit verschmolzen und abgedichtet werden. Während oder nach dem Verschmelzen wird der zwischen der Außenfläche 11a des Innenrohres 11 und der Innenfläche 12a des Außenrohres 12 gebildete ringförmige Raum 13 an eine Hochvakuumpumpe angeschlossen und wie üblich bis auf 2 χ 10" Torr leergepumpt. Wie bekannt, bietet der evakuierte Ringraum 13 eine Isolierung des Innenrohres 11 und schützt den

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Absorptionsbedarf für Sonnenenergie gegen Oxidation.

Wie bekannt, wird das innere Glasrohr 11 durch die einfallende Sonnenstrahlung auf eine erheblich höhere Temperatur erwärmt als das Außenrohr 12. Temperaturdifferenzen in der Größenordnung von 600° F (ca. 330° C) können leicht auftreten. Da das Innenrohr 11 und das Außenrohr 12 durch Verschmelzen der axialen Endteile 11b und 12b einstückig ausgeformt sind, muß offensichtlich eine Kompensationsvorrichtung vorgesehen werden, damit sich das innere Glasrohr mehr ausdehnen kann als das äußere Glasrohr 12, um einen Bruch des einstückigen doppelwandigen Rohres zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird die Längenabmessung des Innenrohres 11 nach innen balgenförmig (Fig. 1). Es wird eine Strecke der Wand des Rohres 11 bis zum Erweichungspunkt erwärmt und dann gedreht, wobei aufeinanderfolgende Abschnitte der erwärmten Wand mit Hilfe eines entsprechenden Werkzeuges nach innen gebogen und dann axial zusammengedrückt werden, um mehrere bogenförmig gefaltete Anordnungen 11c zu bilden. Die Anordnungen 11c können auch ringförmig qcnannt werden. Die Anzahl dieser Verformungen hängt natürlich von der Länqe des doppelwandigen Rohres 10 und der erwarteten Temperaturdifferenz ab, doch normalerweise werden vier bis zwölf dieser balgenfÖrmigen nach innen führenden Verformungen 11c auf einer Strecke von vier Fuß(ca. 121 m) des Rohres 11 ausgebildet.

Es sei bemerkt, daß die Wandstärke der nach innen verformten Abschnitte 11c gleich der Wandstärke des Originalrohres 11

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bleibt. Obwohl im Ausführungsbeispiel der Zeichnungen alle balgenförmigen Verformungen an einem axialen Ende des Rohres 11 angeordnet sind, können sie natürlich an einer beliebigen Stelle über die Länge des Rohrs plaziert sein. Ferner sei bemerkt, daß der ursprüngliche Durchmesser des Rohres 11 zwischen den benachbarten Verformungen infolge der gefalteten Anordnung der nach innen verbogenen Abschnitte 11c erhalten bleibt. Daher ist die energieschluckende Schicht einheitlich ununterbrochen. Daraus ergibt sich, daß durch die nach innen.gefalteten bogenförmigen Anordnungen 11c die Sonnenenergie schluckenden Eigen-' schäften dieses Abschnittes des Rohres 11 nicht wesentlich verschlechtert werden.

Die besondere Konstruktion des Innenrohres 11 unterscheidet sich vom früheren Stand der Technik dadurch, daß alle Balgenausformungen vom Durchmesser des Innenrohres 11 aus nach innen ragen. Das bedeutet notwendigerweise, daß der maximale Durchmesser des Rohres 11 einzig und allein für die durch den ringförmigen luftleer gepumpten Raum 13 gewünschte Breite bestimmt wird. Das Verhältnis des Außendurchmessers des Innenrohres 11 zum Innendurchmesser des Außenrohres 12 darf nicht kleiner als 85 % sein. Im Gegensatz dazu waren bei den früheren Rohren die Balgen stets nach außen gebogen und im allgemeinen geblasen, wodurch sich eine Verdünnung der Wandabschnitte ergab. Damit wurde nicht nur der Wirkdurchmesser des Hauptteils des inneren Glasrohres erheblich verringert, sondern auch gleichzeitig die mechanische Stärke des inneren Glasrohres infolge des Einbaus des nach außen geformten und geblasenen Balgens.

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Wenn die erfindungsgemäßen Doppelwandrohre 10 in einer auf einer der Sonnenstrahlung ausgesetzten Fläche wie einer nach Süden gewandten Dachfläche angebrachten Anordnung von Rohren verwendet werden sollen, müssen aufeinanderfolgende Rohre schnell und bequem strömungsmitteldicht miteinander verbunden werden. Diese Verbindung kann zweckmäßigerweise mit der in Fig. 1 gezeigten Einrichtung durchgeführt werden. Die miteinander verschmolzenen Endteile 11b und 12b des inneren und äußeren Glasrohres seien mit einem nach außen gerichteten aufgeweiteten Teil 12c während des Verschmelzens versehen. Diese nach außen aufgeweiteten Teile 12c werden.dann von einem Ring oder einer Muffe 15 aus einem Elastomer umschlossen, dessen nach innen ragende Rippe 15a zwischen den benachbarten Stirnflächen der nebeneinanderliegenden Rohre 10 angeordnet ist, um sicherzustellen, daß sich die Rohr- ' enden nicht berühren. Dann wird die Elastomermuffe 15 mit einer herkömmlichen Metallklemme 20 und einer Klemmschraube 21 so mit den beiden benachbarten doppelwandigen Rohren 10 verklemmt, daß die verbindung strömungsmitteldicht und mechanisch fest ist. Diese Klemme wird allgemein bei Rohrinstallationen verwandt und daher nicht im einzelnen gezeigt. Die Elastomermuffe 15 bietet den Rohrenden 20 auch eine Wärmeisolierung.

Die Klemme oder Schelle 20 kann auch mit zwei einstückig ausgeformten, im Querabstand herabhängenden Montagebügeln 22a und 22b versehen sein. Die Bügel 22a und 22b können an jedem gewählten Platz auf einem umgekehrt angeordneten T-Träger 30 montiert sein, der an einem Dach oder einer ähnlichen der Sonnenstrahlung ausgesetzten Fläche befestigt ist. Die spezielle Stelle

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der Klemme 20 am T-Träger 30 kann dadurch gewählt werden, daß ein Stift 24 durch den Bügel 22a, 22b sowie durch ein nicht gezeigtes Loch im aufrechtstehenden Schenkel des umgekehrten T-Trägers 30 geführt wird.

In den Fig. 3 und 4 sind zwei Musterinstallationen der erfindungsgemäßen Sonnenenergie schluckenden Rohre dargestellt. In der Fig. 3 sind die Träger 30 senkrecht auf einem der Sonnenstrahlung ausgesetzten Dach R eines Hauses oder auf einer ähnlichen Konstruktion angeordnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel verlaufen zwei Träger 30 parallel zueinander und tragen Klemmen 20, welche die Enden von doppelwandigen Rohren 10 halten. Die Klemmen oder Schellen 20 sichern auch ein U-förmiges Verbindungsrohr 28 an den Enden zweier benachbarter waagerecht angeordneter doppelwandiger Rohre 10. Natürlich sind die Enden der durch die Montage gebildeten fortlaufenden Strömungsmittelleitung jeweils an den Einlaß und Auslaß eines nicht gezeigten Energieverbrauchers angeschlossen. Ein Ablaßhahn 27 kann ebenfalls vorgesehen sein.

Alle Verbindungen wie die U-Rohre 28 sind durch eine nicht gezeigte Abdeckleiste aus Isolierstoff geschützt.

Bei dem in Fig. 4 gezeigten Ausführungsbeispiel sind die Schienen oder Träger 30 horizontal auf einem schrägen Dach 40 aigeordnet. Die Rohre verlaufen senkrecht und sind der Reihenfolge nach durch U-förmige Verbindungsstücke 28 mit Hilfe der Klemmen oder Schellen 20 verbunden. Abzugshähne 29 können am Mittelabschnitt der einzelnen unteren Verbindungsleisten 28 vorgesehen sein, um

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diese Anordnung zu drainieren und dadurch ein Einfrieren des wärmeleitenden Strömungsmittels zu verhindern.

Außer den vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispielen sind noch weitere möglich, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

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Claims

Patentanwälte O Π / O / T O

Dipl. Ing. H. Hauck 30484/8

Dipl. Phys. VV. Scmiiitz Dipl. Ing. E. Graalfs Dipl. Ing. W. Wehfir-rt Dipl. Phys. W. Carstens Dr.-Ing. W. Döring

Mozartetraße 2 3 SOOO München 2

Owens-Illinois

P.O. Box 1035 Anwaltsakte M-5353

Toledo, Ohio 43666 (USA) 10.Dezember 1980

Verbesserter doppelwandiger Sonnenenergiekollektor

aus Glas

Patentansprüche

X.J Sonnenenergiekollektor» dadurch gekennzeichnet, daß er folgende Bauteile umfaßt: ein durchsichtiges äußeres Glasrohr (12), ein im äußeren Rohr (12) konzentrisch angeordnetes inneres Glasrohr (11), wobei zwischen der Außenwand (11a) des Innenrohrs (11) und der Innenwand des Außenrohrs (12) ein ringförmioer Raum (13) gebildet wird, dann Vorrichtungen (12c) zum Verschmelzen der axialen Enden (11b. 12b) der Rohre (11, 12), damit der ringförmige Raum (13) luftleer gepumpt werden kann, eine Vorrichtung zum Durchführen eines wärmeleitenden Strömungsmitteln durch das innere Glasrohr (11), einen Sonnenstrahlen schluckenden Belag auf der Außenwand (11a) des inneren Glasrohrs (11), wodurch die am Außenrohr (12) einfallende Sonnenenergie im wärmeleitenden Strömungsmittel und im inneren Glasrohr (11) eingefangen wird, sodann dadurch, daß mindestens ein axialer Abschnitt des

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inneren Glasrohres (11) nach innen verformt ist, um ein balgenförmiges Dehnungsstück (11c) zu bilden, das Ausdehnungsunterschiede zwischen dem inneren (11) und äußeren (12) Rohr kompensiert und_ydaß der balgenförmige Abschnitt (11c) den gleichen Außendurchmesser wie das Innenrohr (11) aufweist, wobei der Außendurchmesser des Innenrohres (11) mindestens 85% vom Innendurchmesser des Außenrohres (12) beträgt.
2. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der nach innen verformte Abschnitt (11c) eine bogenförmig gefaltete Formgebung sowie eine Wandstärke aufweist, die mindestens gleich ist den nicht verformten Abschnitten des inneren Glasrohres (11).
3. Sonnenenergiekollektor mit zwei konzentrisch angeordneten Glasrohren, die an ihren entgegengesetzten axialen Enden miteinander verschmolzen sind und einen verkapselten ringförmigen Raum zwischen sich bilden, der weitgehend luftleer gepumpt ist, wobei die Außenfläche des Innenrohres mit einem Sonnenenergie schluckenden Belag beschichtet ist, um die am Außenrohr einfallende Sonnenenergie im Innenrohr einzufangen, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein axialer Abschnitt des Innenrohres (11) nach innen verformt ist, um ein balgenförmiges Dehnungsstück (11c) zu bilden, daß die einzigen balgenförmigen Dehnungsstücke (11c) ringförmig sind und den gleichen Außendurchmesser wie das Innenrohr (11) besitzen, wobei sie Unterschiede der Wärmedehnung zwischen den einstückig ausgeformten inneren (11) und äußeren Glasrohren (12) kompensieren. -3-

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4. Kollektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Wandstärke des nach innen verformten Abschnittes (11c) mindestens gleich ist der Wandstärke der nicht verformten Abschnitte des inneren Glasrohres (11).
5. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorrichtung zur Durchführung eines wärmeleitenden Strömungsmittels durch das innere Glasrohr (11) einen nach außen auf-

, geweiteten Endteil (12c) am äußeren Glasrohr (12) aufweist, daß eine Strömungsmittelleitung (10) einen gleichen nach außen aufgeweiteten Endteil. (12c) aufweist, der neben dem nach außen aufgeweiteten Endteil (12c) des äußeren Glasrohres (12) angeordnet ist, und daß eine Muffe aus einem Elastomer (15) im Paßsitz die beiden nach außen aufgeweiteten Teile (12c) umschließt, wobei eine verstellbare Klemme (20, 21) die Muffe (15) umgibt und sie an das äußere Glasrohr (12) und die benachbarte Strömungsmittelleitung (10) so anpreßt, daß die Anordnung Strömungsmitteldicht und mechanisch fest verbunden ist.
6. Kollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die verstellbare Klemme (20, 21) mit einem Montageflansch (22a, b) versehen ist, um lösbar an einer Trägerschiene (30) befestigt zu werden.
7. Kollektor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strömungsmittelleitung einen weiteren Sonnenenergiekollektor (10) darstellt.

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8. Röhrenförmiger Sonnenenergiekollektor, dadurch gekennzeichnet, daß er folgende Bauteile aufweist: ein an seinen entgegengesetzten axialen Enden (11b) offenes erstes Glasrohr (11) und ein zweites Glasrohr (12), dessen Innendurchmesser etwas größer ist als der Außendurchmesser des ersten Rohres (11), das einstückig ausgebildete, nach innen ragende ringförmige und sich axial erstreckende BaIgenSegmente (11c) aufweist, die in der Wand des Rohres (11) nahe seinen offenen Enden (11b) ausgeformt sind, einen undurchsichtigen, Sonnenenergie schluckenden ringförmigen Belag, der sich über einen erheblichen axialen Abschnitt der äußersten Oberflächen des ersten Rohres (11) erstreckt, wobei das zweite Rohr (12) durchsichtig ist und seine sich gegenüberliegenden offenen Enden (12b) mit dem Glas des ersten Rohres (11) an axial voneinander abstehenden Punkten verschmolzen ist, wobei die Verschmelzungsstellen der sich gegenüberliegenden Enden (11b, 12b) eine luftleere Kammer (13) zwischen dem ersten (11) und dem zweiten Glasrohr (12) bilden.
9. Sonnenenergiekollektor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Balgensegmente (11c) ringförmig sind.
10. Kollektor nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß er mehrere rohrförmige Kollektoren (10) sowie eine Vorrichtung umfaßt, bei welcher eine Muffe (15) aus einem Elastomer ein offenes Ende (11b) des ersten Glasrohres eines Kollektors (10) mit dem offenen Ende (11b) des ersten Glasrohres (11) eines anderen rohrförmigen Kollektors (10)

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verbindet und daß eine Vorrichtung (12c) für den Durchstrom eines Wärmetauschers nacheinander durch die einzelnen ersten Glasrohre (11) der Kollektoren (10) sorgt und einen erheblichen Wärmeverlust des erhitzten Wärmetauschers verhindert.

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