WO2008155012A1 - Thermischer wandler - Google Patents

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WO2008155012A1
WO2008155012A1 PCT/EP2008/004388 EP2008004388W WO2008155012A1 WO 2008155012 A1 WO2008155012 A1 WO 2008155012A1 EP 2008004388 W EP2008004388 W EP 2008004388W WO 2008155012 A1 WO2008155012 A1 WO 2008155012A1
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tube
fixing surface
sonotrode
transducer plate
radially opposite
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PCT/EP2008/004388
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Helge Steckmann
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Ultrasonics Steckmann Gmbh
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    • Y02E10/40—Solar thermal energy, e.g. solar towers
    • Y02E10/44—Heat exchange systems

Definitions

  • the invention relates to a thermal converter, in particular a solar collector.
  • Solar collectors are used to convert solar radiation into heat, i. for the use of solar energy for heating purposes, which may relate to, for example, space heating and hot water treatment depending on the application.
  • transducer plates designed to convert the solar radiation into heat are connected to a number of tubes which conduct a liquid. The liquid heated in this way from the original state is transported through a pipeline system to a recovery point, where the heat is removed from the liquid in a suitable manner.
  • the transducer plates which are to convert the solar radiation into heat
  • this connection should have both a predetermined minimum surface area and be designed permanently.
  • connection of the two workpieces together in this case the transducer plate with the tube, is done according to current technology by an ultrasonic welding process, since ultrasonic welding offers considerable advantages over other techniques.
  • two metallic workpieces to be connected to one another in this case a transducer plate and a tube, which in later use are used to transport the heat-transporting liquid. speed, compressed by a contact force.
  • This contact pressure is applied by a sonotrode on the workpieces to be welded by resting on one side of the contact surface to be formed, according to conventional manufacturing on the transducer plate to which said tube is pressed on the back.
  • the sonotrode is subject to the action of high-frequency vibrations, which usually have a frequency of 20 kHz, so that the two workpieces are rubbed against each other at their contact boundary, ie in the area in which they are in contact with each other, with great gravity.
  • the mechanical vibrations of a sonotrode are placed on the top of the metal parts to be joined, in this case the transducer plate in the horizontal axis, wherein the sonotrode is lowered with a predetermined force generated by a pneumatic force on the surface of the upper part. This force is maintained constant during the ultrasonic welding process.
  • the high-frequency shear creates a dense contact of pure metals, between the surface of a cooperation is possible, which need not be identical metals, but also different metals can be connected together. Due to the high-frequency shear but also the oxide layers and impurities on the metal surfaces destroyed, crushed and thrown from the joining surface or at least transported to the edge.
  • the invention is therefore based on the object, a thermal converter, in particular solar collector, indicate that shows a small loss of surface effect and thus the lowest possible reduction in efficiency.
  • the invention is based on the consideration that the banding, which results from the pressure of the sonotrode and the destructive effect on the effective surface of the transducer plate by the ultrasonic welding process, can be avoided by the tube side, so on the effective surface of the transducer plate opposite side, attacks.
  • the tube jacket is advantageously pressed in such a way that a plurality of wells is formed, in which the two sides of the tube shell have contact with each other and can be welded together and with the transducer plate.
  • the deformation of the tube is advantageously provided such that, depending on the height of the resulting by the deformation channels and the angle of the channel walls enough space for the use of a sonotrode for placing on in optimal execution of each of the channels resulting from the channels is available.
  • the surface advantageously has a continuous, non-destructive surface.
  • the advantages achieved by the invention are in particular that the entire surface of the transducer plate can be used to convert sunlight into heat.
  • FIG. 1 shows a representative section of a solar collector of conventional design in section
  • Fig. 6 shows the same section as Fig. 4, but with an optimized shape of the tube
  • Fig. 7 shows a detail of a solar collector with a multi-channel pipe in section.
  • Fig. 1 shows in a representative section of the essential components of a solar collector 1, which is produced in a conventional manner.
  • the transducer plate 2 rests on the tube 4.
  • the sonotrode is subjected to high-frequency oscillations at a frequency of approximately 20 kHz, which lead to a contraction and extraction of the highly elastic steel from which the sonotrode is made, with an amplitude of approximately 30 to 40 ⁇ of the sonotrode, so that the transducer plate 2 and the pipe 4 at its contact boundary 6, ie in the region in which they have contact with each other, are rubbed against each other with great shear force.
  • This area is defined by the longitudinal axis of the tube 4, at its highest, the transducer plate 2 nearest point, the sonotrode during the welding process is guided along determined. Through this process, the two workpieces are permanently connected.
  • FIG. 3 shows the cause of the surface destruction, namely a sonotrode 8, on whose contact surface 10 to the workpiece a peripheral corrugation can be seen.
  • This corrugation is necessary to build on the contact pressure a positive connection to the workpiece, the transducer plate 2 or the tube 4, and to put the workpiece through the teeth in a sideways movement and vibration-dependent.
  • FIG. 4 shows one way of avoiding the disadvantages of conventional production:
  • the tube 4 rests on the transducer plate 2 after it has undergone a cross-sectional change process, as shown in FIG. 5:
  • the dashed line in FIG. 5 describes the tube 4 in the original state, whereas the solid line shows the tube jacket 4 after the required force and deformation.
  • the result is a contact surface 10 in the pipe itself between the pipe jacket and he him radially opposite region of the tubular jacket, which welded via a first weld by the sonotrode, the upper contact surface of the tube 4 with the radially opposite.
  • the sonotrode 8 sets in the recess of the tube 4 between the individual channels on the contact surface 6 to the transducer plate 2 and welded to the tube 4 with the transducer plate. 2
  • Fig. 6 shows a particularly advantageous embodiment of the tube 4 for use in a solar collector.
  • the tube 4 is compared to the original state deformed such that on the one hand, a contact surface 6 is formed, which allows ultrasonic welding of the tube 4 with the transducer plate 2, on the other hand, a further contact surface by concern of the largest possible flat footprint of the tube 4 to the transducer plate. 2 arises.
  • This results in a faster heating of the transported in the tubes heat transfer medium, for example, a fluid or a liquid, resulting in a possible higher flow rate and / or higher heating and thus improved efficiency.
  • FIG. 7 A further possible embodiment is shown in FIG. 7.
  • the tube 4 is deformed in the preparation process in such a way that not only two channels, as shown in FIGS. 4 to 6, but a plurality of channels are formed. This also creates a plurality of contact surfaces 6 to the transducer plate 2, where a weld can take place. The consequence of this is an increase in the total contact area as well as a higher conversion rate and thus a particularly high efficiency of the solar collector 1.

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Abstract

Ein thermischer Wandler (1) - mit mindestens einem ein Wärmeträgermedium aufnehmenden Rohr (4) und - mit einem an einer Fixierfläche auf der Außenseite des Rohrmantels stoffschlüssig fixierten Wandlerblech (2), soll einen geringen Verlust der Oberflächenwirkung und somit eine möglichst geringe Reduzierung des Wirkungsgrades aufzeigen. Dazu ist erfindungsgemäß der der Fixierfläche radial gegenüberliegende Bereich des Rohrmantels derart in Richtung auf die Fixierfläche eingedrückt, dass die radial einander gegenüberliegenden Innenflächen des Rohrmantels aneinander liegen und als Angriffstasche für eine Sonotrode (8) auf der dem Wandlerblech (2) abgewandten Seite der Fixierfläche eine muldenartige Einformung in dem der Fixierfläche radial gegenüberliegenden Bereich des Rohrmantels (4) bilden.

Description

Beschreibung
Thermischer Wandler
Die Erfindung bezieht sich auf einen thermischen Wandler, insbesondere einen Solarkollektor.
Solarkollektoren werden zur Umwandlung von Sonneneinstrahlung in Wärme eingesetzt, d.h. zur Nutzung der Sonnenenergie für Heizzwecke, wobei sich dies je nach Anwendung beispielsweise auf Raumheizung sowie auf die Warmwasseraufbereitung beziehen kann. Dazu werden Wandlerbleche, die dazu ausgelegt sind, die Sonneneinstrahlung in Wärme umzuwandeln, mit einer Anzahl von Rohren verbunden, die eine Flüssigkeit leiten. Die auf diese Weise gegenüber dem Ursprungszustand erwärmte Flüssigkeit wird durch ein Rohrleitungssystem zu einer Verwertungsstelle transportiert, an der die Wärme auf geeignete Art und Weise der Flüssigkeit entnommen wird.
In der Fertigung solcher Solarkollektoren werden üblicherweise die Wandlerbleche, die die Sonneneinstrahlung in Wärme umwandeln sollen, mit einer Anzahl von Rohren verbunden. Um einen möglichst hohen Wirkungsgrad zu erzielen, sollte diese Verbindung sowohl über eine vorgegebene Mindestfläche verfügen sowie dauerhaft ausgeführt sein.
Die Verbindung der beiden Werkstücke miteinander, in diesem Fall des Wandlerblechs mit dem Rohr, geschieht nach aktueller Technik durch einen Ultraschweiß- Vorgang, da das Ultraschall-Schweißen gegenüber anderen Techniken erhebliche Vorteile bietet.
Im Ultraschall-Schweißverfahren werden in einer Ultraschall-Schweißstation zwei miteinander zu verbindende metallische Werkstücke, in diesem Fall ein Wandlerblech und ein Rohr, das im späteren Einsatz die Wärme transportierende Flüssig- keit aufnehmen soll, durch eine Anpresskraft zusammengepresst. Diese Anpresskraft wird durch eine Sonotrode auf die zu verschweißenden Werkstücke aufgebracht, indem sie auf einer Seite der zu bildenden Kontaktfläche aufliegt, nach konventioneller Fertigung auf dem Wandlerblech, an das rückseitig das genannte Rohr angedrückt wird. Gleichzeitig mit dem Anpressdruck unterliegt die Sonotrode der Einwirkung von hochfrequenten Schwingungen, die üblicherweise eine Frequenz von 20 kHz aufweisen, so dass die beiden Werkstücke an ihrer Kontaktgrenze, also in dem Bereich, in dem sie Kontakt zueinander haben, mit großer Schwerkraft aneinander gerieben werden.
Die mechanischen Schwingungen einer Sonotrode werden auf das obere der zu verbindenden Metallteile, in diesem Fall das Wandlerblech, in der horizontalen Achse eingebracht, wobei die Sonotrode mit einem durch eine Pneumatik erzeugten, vorgegebenen Kraft auf die Oberfläche des Oberteiles herabgesenkt wird. Diese Kraft wird während des Ultraschall-Schweißvorgangs konstant beibehalten.
Sehr große Verformungen sind die Folge der hochfrequenten Reibungsbewegung der zu verbindenden Metallteile in der Kontaktzone. Diese Beanspruchung der Metalloberfläche führt zu einem wellenförmigen und in extremen Fällen zu einem wirbeiförmigen Relief der Kontaktgrenze und zu mechanischen Verzahnungen bzw. Verhackungen der Paarungskomponenten. Dies spielt eine positive Rolle für die Haftfestigkeit beim Ultraschall-Schweißen, das heißt dem Verbinden der Metalle durch dieses Verfahren.
Durch die hochfrequente Scherkraft entsteht ein dichter Kontakt reiner Metalle, zwischen deren Oberfläche eine Zusammenwirkung möglich ist, wobei es sich nicht um identische Metalle handeln muss, sondern auch verschiedene Metalle miteinander verbunden werden können. Durch die hochfrequente Scherkraft werden aber auch die Oxidschichten und Unreinigkeiten an den Metalloberflächen zerstört, zerkleinert und aus der Fügefläche geschleudert oder zumindest bis zum Rand transportiert.
Das bedeutet, daß an der Auflagefläche der Sonotrode am Wandlerblech eine geringe Umwandlung von Sonnenenergie in Wärmeenergie stattfinden kann, da die Oberfläche nicht die erforderliche Absorption aufweist. Der Wirkungsgrad des Solarkollektors wird daher durch die Zerstörung der Oberflächenstruktur im Kontaktbereich in erheblichem Maße reduziert.
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen thermischen Wandler, insbesondere Solarkollektor, anzugeben, der einen geringen Verlust der Oberflächenwirkung und somit eine möglichst geringe Reduzierung des Wirkungsgrades aufzeigt.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst, indem der der Fixierfläche radial gegenüberliegende Bereich des Rohrmantels derart in Richtung auf die Fixierfläche eingedrückt ist, dass die radial einander gegenüberliegenden Innenflächen des Rohrmantels aneinander liegen und als Angriffstasche für eine Sonotrode auf der dem Wandlerblech abgewandten Seite der Fixierfläche eine muldenartige Einformung in dem der Fixierfläche radial gegenüberliegenden Bereich des Rohrmantels bilden.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass die Streifenbildung, die durch den Andruck der Sonotrode und der zerstörerischen Auswirkung auf die wirksame Oberfläche des Wandlerblechs durch den Ultraschallschweißvorgang entsteht, vermieden werden kann, indem die Sonotrode rohrseitig, also auf der der wirksamen Oberfläche des Wandlerblechs gegenüberliegenden Seite, angreift. Um eine möglichst hohe Ausnutzung der Sonneneinstrahlung und Umsetzung in Wärmeenergie zu erreichen, ist der Rohrmantel vorteilhafterweise derart eingedrückt, dass eine Mehrzahl von Mulden entsteht, in denen die beiden Seiten des Rohrmantels Kontakt zueinander haben und sowohl miteinander als auch mit dem Wandlerblech verschweißt werden können.
Damit für den Ultraschall-Schweißvorgang eine herkömmliche Sonotrode verwendet werden kann, ist die Verformung des Rohres vorteilhafterweise derart vorzusehen, dass in Abhängigkeit von der Höhe der durch die Verformung entstehenden Kanäle und dem Winkel der Kanalwände genügend Platz für den Einsatz einer Sonotrode zum Aufsetzen auf in optimaler Ausführung jedem der duch die Kanäle entstehenden Täler zur Verfügung steht.
Um einen möglicht hohen Wirkungsgrad des Wandlerblechs für die Aufnahme von Sonneneinstrahlung zu erzielen, weist die Oberfläche vorteilhafterweise eine durchgehende, zerstörungsfreie Oberfläche auf.
Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, dass die gesamte Fläche des Wandlerblechs zur Umwandlung von Sonneneinstrahlung in Wärme genutzt werden kann.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand von Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigen:
Fig 1. einen repräsentativen Ausschnitt aus einem Solarkollektor konventioneller Bauart im Schnitt,
Fig 2. einen Ausschnitt aus einem Wandlerblech eines Solarkollektors in Draufsicht,
Fig. 3 eine Sonotrode in dreidimensionaler Ansicht, Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem Solarkollektor mit einem veränderten Rohr im Schnitt,
Fig. 5 ein Rohr im Querschnitt in ursprünglicher und veränderter Form nach Verformung,
Fig. 6 den gleichen Ausschnitt wie Fig. 4, jedoch mit einer optimierten Form des Rohres, und
Fig. 7 einen Ausschnitt aus einem Solarkollektor mit einem mehrkanaligen Rohr im Schnitt.
Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den selben Bezugszeichen versehen.
Die Fig. 1 zeigt in einem repräsentativen Ausschnitt die wesentlichen Bestandteile eines Solarkollektors 1, der auf konventionelle Art und Weise hergestellt wird. Das Wandlerblech 2 liegt auf dem Rohr 4 auf. Eine hier nicht dargestellte Sonotrode setzt oben auf dem Wandlerblech 2 auf und übt in der durch einen Pfeil dargestellten Richtung einen Anpressdruck auf eine Kontaktfläche 6 des Wandlerbleches 2 zum Rohr aus. Dieser Anpressdruck beträgt ungefähr zwanzig bis fünfzig kp.
Zudem unterliegt die Sonotrode hochfrequenten Schwingungen mit einer Frequenz von ungefähr 20 kHz, die zu einer Kontraktion und Extraktion des hochelastischen Stahls, aus dem die Sonotrode gefertigt ist, mit einer Amplitude von ungefähr 30 bis 40 μ der Sonotrode führen, so dass das Wandlerblech 2 und das Rohr 4 an ihrer Kontaktgrenze 6, also in dem Bereich, in dem sie Kontakt zueinander haben, mit großer Scherkraft aneinander gerieben werden. Dieser Bereich wird durch die Längsachse des Rohres 4, auf dessen höchster, dem Wandlerblech 2 nächstliegender Stelle, die Sonotrode während des Schweißvorgangs entlanggeführt wird, bestimmt. Durch diesen Vorgang werden die beiden Werkstücke dauerhaft miteinander verbunden.
Durch diese Art der Verschweißung entsteht ein Verlust des Wirkungsgrades des Solarkollektors 1 , wie die Fig. 2 zeigt, da das Wandlerblech 2 an seiner Oberseite an der Kontaktfläche 6 zum Rohr 4 eine Zerstörung der Oberflächenstruktur durch die Riffelung der Sonotrode und die schwingungsabhängige Seitwärtsbewegung der Sonotrode auf dem Wandlerblech 2 aufweist. Je nach Größe und Ausführung des Solarkollektors 1 kann der Verlust des Wirkungsgrades bei 0,5 bis 5% von der Gesamtleistung liegen.
Die Fig. 3 zeigt die Ursache für die Oberflächenzerstörung, nämlich eine Sonotrode 8, auf deren Kontaktfläche 10 zum Werkstück eine umlaufende Riffelung zu sehen ist. Diese Riffelung ist notwendig, um über den Anpressdruck einen Formschluss zum Werkstück, dem Wandlerblech 2 oder dem Rohr 4, aufzubauen und das Werkstück durch die Verzahnung in eine Seitwärtsbewegung zu versetzen und schwingungsabhängig mitzunehmen.
In der Fig. 4 wird eine Möglichkeit zur Umgehung der Nachteile der Fertigung nach konventioneller Bauart aufgezeigt: Das Rohr 4 liegt auf dem Wandlerblech 2 auf, nachdem es, wie die Fig. 5 zeigt, einen Querschnittveränderungsprozeß durchlaufen hat: Die gestrichelte Linie in Fig. 5 beschreibt das Rohr 4 im ursprünglichen Zustand, wohingegen die durchgezogene Linie den Rohrmantel 4 nach erforderlicher Krafteinwirkung und Verformung zeigt. Es entsteht eine Kontaktfläche 10 im Rohr selber zwischen dem Rohrmantel und er ihm radial gegenüberliegenden Bereich des Rohrmantels, die über eine erste Verschweißung durch die Sonotrode die obere Kontaktfläche des Rohres 4 mit der radial gegenüberliegenden verschweißt.
Dadurch entstehen zwei Kanäle, die später das Wärmeträgermedium transportieren. Um eine vorgegebene Durchflussmenge sicherstellen zu können, ist das ur- sprüngliche, zu verformende Rohr 4 mit einem größeren Querschnitt zu wählen als das in der konventionellen Fertigung verwendete, in der Urspungsform mit einem kreisförmigen Querschnitt belassene, Rohr 4.
Nachdem das Rohr 4, wie in der Fig. 5 gezeigt, verformt und verschweißt ist, kann es für die Fertigung des Solarkollektors nach Fig. 4 verwendet werden. Die So- notrode 8 setzt in der Vertiefung des Rohres 4 zwischen den einzelnen Kanälen auf der Kontaktfläche 6 zum Wandlerblech 2 auf und verschweißt das Rohr 4 mit dem Wandlerblech 2.
Dadurch entsteht rohrseitig eine Oberflächenzerstörung auf der Kontaktfläche, allerdings bewirkt diese Zerstörung keinen Verlust des Wirkungsgrades. Die Oberflächenstruktur des Wandlerbleches 2 bleibt erhalten, womit eine Nutzung der Gesamtoberfläche für die Umwandlung der Sonneneinstrahlung in Wärme möglich ist.
Die Fig. 6 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung des Rohres 4 für die Nutzung in einem Solarkollektor auf. Das Rohr 4 wird gegenüber dem Ursprungszustand derart verformt, dass zum einen eine Kontaktfläche 6 entsteht, die eine Ultraschallverschweißung des Rohres 4 mit dem Wandlerblech 2 ermöglicht, zum anderen aber eine weitere Kontaktfläche durch Anliegen einer möglichst großen flachen Aufstandsfläche des Rohres 4 an das Wandlerblech 2 entsteht. Dadurch erfolgt eine schnellere Erwärmung des in den Rohren transportierten Wärmeträgermedium, beispielsweise eines Fluids oder einer Flüssigkeit, was zu einer möglicheren höheren Durchflußgeschwindigkeit und/oder zu einer höheren Erwärmung und somit zu einem verbesserten Wirkungsgrad führt.
Eine weitere mögliche Ausführungsform stellt die Fig. 7 dar. Das Rohr 4 wird im Vorbereitungsprozeß derart verformt, dass nicht nur zwei Kanäle, wie in Fig. 4 bis 6 dargestellt, sondern mehrere Kanäle entstehen. Dadurch entstehen ebenfalls mehrere Kontaktflächen 6 zum Wandlerblech 2, an denen eine Verschweißung stattfinden kann. Die Folge davon ist eine Vergrößerung der Gesamtkontaktfläche sowie eine höhere Umwandlungsrate und somit ein besonders hoher Wirkungsgrad des Solarkollektors 1.
Bezugszeichenliste
Solarkollektor Wandlerblech Rohr Kontaktfläche Wandlerblech - Rohrmantel Sonotrode Kontaktfläche Rohrmantel - Rohrmantel

Claims

0438810Ansprüche
1. Thermischer Wandler
- mit mindestens einem ein Wärmeträgermedium aufnehmenden Rohr und
- mit einem an einer Fixierfläche auf der Außenseite des Rohrmantels stoffschlüssig fixierten Wandlerblech dadurch gekennzeichnet, dass der der Fixierfläche radial gegenüberliegende Bereich des Rohrmantels derart in Richtung auf die Fixierfläche eingedrückt ist, daß die radial einander gegenüberliegenden Innenflächen des Rohrmantels aneinander liegen und als Angriffstasche für eine Sonotrode auf der dem Wandlerblech abgewandten Seite der Fixierfläche eine muldenartige Einformung in dem der Fixierfläche radial gegenüberliegenden Bereich des Rohrmantels bilden.
2. Thermischer Wandler nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Rohrmantel derart eingedrückt ist, daß er eine Mehrzahl von muldenartigen Einformungen aufweist.
3. Thermischer Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle muldenartigen Einformungen derart bemessen sind, dass sie als Angriffstasche Platz für eine Sonotrode aufweisen.
4. Thermischer Wandler nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlerblech auf der den Rohren abgewandten Seite eine durchgehende Oberflächenstruktur aufweist.
PCT/EP2008/004388 2007-06-19 2008-06-02 Thermischer wandler WO2008155012A1 (de)

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