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Wärmeleitende Verbindung
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Die Erfindung betrifft eine wärmeleitende Verbindung zwischen einem
wärmeabgebenden oder wärmeaufnehmenden ersten Bauteil und einem Arbeitsmedium, insbesondere
zwischen dem Kondensationsteil eines Wärmerohres und einer die Wärme aufnehmenden
Arbeitsflüssigkeit.
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Wärmerohre sind bekannte Bauteile mit einer extrem hohen Wärmeleitfähigkeit.
Sie nehmen an einem Ende (Kollektor) Wärme auf und geben sie am anderen Ende (Kondensator)
wieder ab. Sie finden Verwendung z.B. zum Wärmeübertrag zwischen einem Solarkollektor
und einem Arbeitsmedium, z.B.
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Wasser, einer niedrig siedenden Flüssigkeit, Ammoniak oder Luft. Eine
Vielzahl von Wärmerohren nimmt die Energie auf der Kollektorseite auf und gibt sie
in einem gemeinsamen Sammelrohr wieder an eine Arbeitsflüssigkeit ab.
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Die Wärme soll möglichst verlustfrei vom Kollektor in das Arbeitsmeditnn
gelangen. Dazu sind gut wärmeleitede Verbindungen zum Wärmerohr und vom Wärmerohr
an das Arbeitsmedium notwendig.
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Bekannt ist es, die wärmeabgebende Seite eines Wärmerohres durch eine
öffnung in den Behälter des Arbeitsmediums zu schieben und abzudichten.
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Dabei sind gute Wärmeübergänge zu erzielen, jedoch ist das Wärmerohr
abzudichten, wobei insbesondere bei leicht flüchtigen niedrig siedenden Arbeitsmedien
Dichtungsprobleme bestehen. Ein Austausch eines Wärmerohres ist nur durch öffnen
des Arbeitskreislaufes möglich.
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Bekannt ist die Verwendung eines Metallblocks, in welchem der Kondensator
des Wärmerohres eingeklemmt wird, ebenso das Sammelrohr des Arbeitsmittels. Dabei
entstehen grosse Temperaturverluste, da die Wärmeleitung auf langem Weg erfolgt
und der Kondensator und das Sammelrohr senkrecht zueinander angeordnet sind. Eine
Austauschbarkeit der Wärmerohre ohne Öffnen des Arbeitskreislaufes ist gegeben.
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Durch auftretende Wärmedehnungen ist die Länge des Sammelrohres begrenzt,
da das Sammelrohr aufgewärmt wird und sich ausdehnt und das andere Ende des Wärmerohres
kalt bleibt. Damit sind maximale Längen des Sammelrohres ohne Dehnungsausgleichselemente
von ca. 2 m erreichbar.
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Bekannt ist die Integration des Kondensators des Wärmerohres in das
Sammelrohr (Europäische-Veröffentlichung Nr. 0055478), wobei ein guter Wärmeübergang
erreicht wird.
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Das Problem der Austauschbarkeit des Wärmerohres ohne Öffnen des Kreislaufes,
sowie das Problem der Wärmedehnung sind jedoch nicht gelöst.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verbindung zwischen
einem wärmeabgebenden oder wärmeaufnehmenden ersten Bauteils (z.B. einem Wärmerohr)
und einem Arbeitsme-dium zu schaffen, - die eine gute Wärmeleitfähigkeit besitzt,
so dass im Betrieb nur kleine Temperaturdifferenzen zwischen dem ersten Bauteil
(Wärmerohr) und dem Arbeitsmedium auftreten, - wobei die einzelnen Wärmerohre ohne
Öffnen des Arbeitskreislaufes ausgetauscht werden können und - wobei Wärmedehnungen
im Sammelrohr (oder ähnlichen Konstruktionen) bei Arbeitstemperatur oder Leerlauftemperatur
elastisch aufgefangen werden.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäss gelöst durch die in Anspruch 1 genannten
Merkmale.
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Vorteilhafte Ausführungen und Herstellungsverfahren sind Gegenstände
von Unteransprüchen.
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Die erfindungsgemässe wärmeleitende Verbindung vereinigt die VOrzüge
der hohen Wärmeleitfähigkeit einer Flüssig keit, der einfachen Austauschbarkeit
einzelner Bauelemente, der universellen Anwendbarkeit und des selbsttätigen Ausgleichs
der Wärmeausdehnung in sich.
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Die Herstellung ist preisgünstig, da bekannte Bauelemente und Herstellungsverfahren
verwendet werden können. An die Abdichtung der Hülse werden keine besonderen Ansprüche
gestellt, da das Lot bei niedrigen Temperaturen fest ist und bei Arbeitstemperaturen
eine hohe Viskosität besitzt.
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Die elastische Abdichtung und das flüssige Lot erlauben neben der
Relativbewegung des wärmeabgebenden Bauteiles zum Wärmesammler in allen drei Richtungen
auch eine Verdrehung oder Verkippung um einen gewissen Winkelbetrag.
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Spannungsrisse werden so auch bei langen Sammelrohren verhindert.
Auf Dehnungsausgleichselemente kann verzichtet werden. In der Anwendung für Solarkollektoren
können große Kollektorflächen von bis zu ca. 25 m2 an einem einzigen Sammelrohr
angeordnet werden.
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Zum Austauschen einzelner Wärmerohre muß der Kreislauf des Arbeitsmediums
nicht geöffnet werden. Es reicht die Erwärmung des entsprechenden Wärmerohres auf
Arbeitstemperatur, sofern das Lot in diesem Temperaturbereich flüssig ist, oder
auf seine Schmelztemperatur (Aufheizen ohne
Energieabnahme) und
Aufschrauben der Hülse.
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Neben der Anwendung auf Wärmerohr-Solarkollektoren, die in den Ausführungsbeispielen
näher beschrieben ist, kann die Erfindung auch auf anderen Gebieten verwendet werden,
wo es darauf ankommt, eine hohe Wärmestromdichte weiterzuleiten. Dies gilt bei der
Nutzung von Prozeßwärme, bei der Wasserentsalzung, bei der Wasseraufbereitung, bei
der Direktverdampfung verschiedener Flüssigkeiten, bei Sterilisieren medizinischer
Geräte und beim Kühlen von Wärmekraftmaschinen oder Anlagen.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Ausführunosformen ergeben sich aus
den nachfolgend beschriebenen Figuren.
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Die Figuren 1 bis 4 zeigen verschiedene Ausführungsformen der erfindungsgemässen
Verbindung.
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Figur 1 zeigt eine erfindungsgemässe Verbindung zwischen einem Wärmerohr
1, das aus einem Kollektorteil 2 und einem Kondensatorteil 3 besteht und einem Arbeitsmedium
4, z. B.
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Wasser, welches sich in einem Behälter 5 befindet. Der Behälter 5
kann z.B. ein Kessel oder ein Sammelrohr sein.
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Eine beidseitig offene Hülse 6 durchgreift den Behälter 5 und ist
mit ihm durch gängige Verfahren wie Schweißen oder Löten fest verbunden. Die Hülse
ist oben und unten mit Schraubkappen 7, 8 verschlossen. Die untere Schraubkappe
8
besitzt eine zentrische Bohrung 9 mit einer Dichtung 10 (z.B.
ein O-Rig), durch die der Kondensatorteil 3 gesteckt ist. Im oberen Teil der Hülse
6 befinden sich eine Feder 11, ein Deckel 12 und eine abgemessene Menge Lot 13.
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Zur Inbetriebnahme wird das Wärmerohr 1 erwärmt. Der Kondensatorteil
3 bringt das Lot 13 zum Schmelzen.
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Das Lot 13 fltesst in den Luftspalt 14 zwischen Kondensator 3 und
Hulse 6 und stellt einen innigen, gut wärmeleitenden Kontakt zwischen beiden Flächen
her. Feder 11 und Deckel 12^sorgen dafür, dass der Spalt 14 vollständig vom Lot
benett wird.
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Bei einer Ausführung mit geneigtem oder senkrecht stehendem Wärmerohr.sind
die Feder 11 oder der Deckel 12 nicht notwendig. Es reicht dann die Schwerkraft
- eventuell von der Kapillarkraft unterstützt - zur Verteilung des Lotes.
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Das Nachmessen des Abstandes zwischen Deckel 12 und Kondensator 3
ergibt gleichzeitig eine Kontrolle über die Funktionsfähigkeit des Wärmerohres.
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Figur 2 zeigt eine Ausführung mit geschlossener Hülse 6a.
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Diese Ausführung wird gewählt, wenn der Behälter 5 wesentlich tiefer
ls der Kondensator 3 des Wärmerohres 1 ist.
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Figur 3 zeigt wie Figur 2 eine Ausführung mit geschlossener Hülse
6a.! Die Hülse 6a ist hier mit einer flexiblen
Dichtung 15 zum
Behälter 5 hin abaeschlossen. Wärmedehnungen des Behälters 5 können durch Winkelbewegungen
(i) der Hülse 6a bzw. durch Relativbewegungen zwischen Hülse 6a und Behälter 5 aufgefangen
werden.
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In den Figuren 1 bis 3 ist der Füllungszustand vor der Inbetriebnahme
gezeigt, das Lot ist noch nicht geschmolzen.
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Figur 4 zeigt eine Ausführung im Betriebszustand mit geschmolzenem
Lot 13. Es wird in dieser Ausführung eine offene Hülse 6b mit einer flexiblen Dichtung
16 zwischen der Schraubkappe 8a und der Hülse 6b verwendet.
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Wärmedehnungen z.B. des Behälters 5 können durch Winkelbewegungen
des Kondensators 3 bzw. durch Relativbewegungen zwischen Kondensator 3 und Hülse
6b aufgefangen werden.
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Bei dieser Ausführung muß das Lot 13 bei Arbeitstemperatur flüssig
sein, um die gewünschte Beweglichkeit (drei Translationsrichtungen und die Verkippung
um den Winkel & ) zu erreichen.
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Bei der in Figur 3 gezeigten Ausführung kann das Lot bei Betriebstemperatur
fest sein, es muß jedoch einmal so hoch erhitzt worden sein, dass es den Spalt 14
vollständig benetzt.
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Das Auswechseln des Wärmerohres kann durch Hochheizen des Kollektors
(ohne Wärmeabnahme) oder durch Aufheizen von
aussen erfolgen. Dabei
wird Hitze von oben nach unten auf die Hülse gebracht und nach dem Schmelzvorgang
der Kondensator nach unten abgezogen.
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