DE3048478A1 - Verbesserter doppelwandiger sonnenenergiekollektor aus glas - Google Patents
Verbesserter doppelwandiger sonnenenergiekollektor aus glasInfo
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Description
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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ORIGINAL INSPECTED
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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ORIGINAL INSPECTED
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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ORIGINAL INSPECTED
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.
13003 7/0800 ORIGINAL INSPECTED;
Claims (10)
- Patentanwälte O Π / O / T ODipl. Ing. H. Hauck 30484/8Dipl. Phys. VV. Scmiiitz Dipl. Ing. E. Graalfs Dipl. Ing. W. Wehfir-rt Dipl. Phys. W. Carstens Dr.-Ing. W. DöringMozartetraße 2 3 SOOO München 2Owens-IllinoisP.O. Box 1035 Anwaltsakte M-5353Toledo, Ohio 43666 (USA) 10.Dezember 1980Verbesserter doppelwandiger Sonnenenergiekollektoraus GlasPatentansprücheX.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 des130037/0800inneren Glasrohres (11) nach innen verformt ist, um ein balgenförmiges Dehnungsstück (11c) zu bilden, das Ausdehnungsunterschiede zwischen dem inneren (11) und äußeren (12) Rohr kompensiert undydaß 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. -3-1 30037/0800 ORIGINAL INSPECTED
- 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.130037/0800
- 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)130037/0800
ORIGINAL INSPECTEDverbindet 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.130037/080 0
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