WO2022148780A1 - Herstellungsverfahren für einen wärmeübertrager durch dynamisches fügen - Google Patents

Herstellungsverfahren für einen wärmeübertrager durch dynamisches fügen Download PDF

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WO2022148780A1
WO2022148780A1 PCT/EP2022/050153 EP2022050153W WO2022148780A1 WO 2022148780 A1 WO2022148780 A1 WO 2022148780A1 EP 2022050153 W EP2022050153 W EP 2022050153W WO 2022148780 A1 WO2022148780 A1 WO 2022148780A1
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gap
heat
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heat collector
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Thomas Noll
Bernhard Puttke
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Thomas Noll
Bernhard Puttke
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    • F28F9/0256—Arrangements for coupling connectors with flow lines

Definitions

  • the invention relates to a method for producing a heat exchanger according to the preamble of claim 1.
  • Heat exchangers are devices for transferring thermal energy from a heat source to a heat sink.
  • a manufacturing method for a heat exchanger is known from JP 2013 204 841 A1, in which two line systems are connected to one another by a fusible link. A heat transfer medium flows in each of the line systems. The connection is made by immersing the two line systems of the heat exchanger, which are brought into contact with one another and thus pre-positioned, in an immersion bath with molten solder. The two line systems are brought directly into contact without any gaps. One of the line systems has grooves on the contact surface. A material connection between the two line systems is achieved by the flow of solder into the grooves. After the fusible link has cooled down, it forms a thermomechanical bridge between the two line systems. This means that the two line systems are connected to one another both thermally and mechanically via the cooled fusible link.
  • An adhesive layer or connecting layer lying in between, here the fusible link should have a uniform thickness with the lowest possible thermal resistance.
  • thermomechanical bridge disclosed in JP 2013 204 841 A1 JP has an uneven thickness or connecting layer due to the grooves, so that due to the different material thicknesses of the connecting layer there are fluctuations in the thermal conductivity as well as fluctuations in the mechanical strength.
  • liquid solder due to its viscosity, liquid solder cannot penetrate into the gaps that are too thin in the contact surfaces that are directly brought into contact, so that it Air pockets can occur, which are not beneficial for either mechanical or thermal performance.
  • the object of the invention is to specify a production method for producing a heat exchanger with a thermomechanical bridge that is as efficient as possible, i.e. thin and uniform.
  • thermomechanical bridge cohesive connection layer
  • the initial gap (first gap dimension) is chosen to be sufficiently large that even with very large or very long gaps, the fusible link can penetrate completely into the gap even with high viscosity and wet all contact surfaces between the heat collector and the heat exchanger.
  • the initial gap is then reduced to a target size of the final gap (second gap size).
  • the thickness (height) of the end gap is, for example, reduced to a technically possible minimum in order to produce the lowest possible thermal resistance.
  • the gap can, for example, be reduced in a purely passive manner using gravity or the dead weight of the joining partners. Alternatively or additionally, the reduction of the gap can also be supported by externally applied forces.
  • the gap is preferably filled with a liquid fusible link in an immersion bath filled with the liquid fusible link.
  • the immersion bath or the fusible link located therein preferably has a temperature of about 450° C. or more.
  • the material connection that forms between the joining partners is then a hard-soldered connection in which the alloying components of the fusible solder diffuse into the joining partners and vice versa.
  • thermomechanical bridge material connection layer
  • the joining partners are heated to the temperature of the immersion bath before or during the joining process. This makes it easier for the alloying components of the fusible link to diffuse into the joining partners and vice versa, thereby increasing the mechanical strength of the thermomechanical bridge in particular.
  • the joining partners can be heated outside of the immersion bath. However, the heating of the joining partners is preferably effected in the immersion bath by immersion in the immersion bath for a certain holding time. In this way, separate heating ovens or comparable heating systems can be dispensed with.
  • the joining partners are preferably heated before step C, ie reducing the gap to a second gap dimension between the heat collector and the heat exchanger with partial displacement of the fusible link located in the gap (end gap).
  • step D To cool the liquid fusible link in the reduced gap (end gap) until it solidifies (step D), the joining partners are removed from the immersion bath.
  • the reduction of the gap down to a second gap dimension in step C can take place before removal from the immersion bath, i.e. in the immersion bath, or immediately after removal from the immersion bath.
  • the reduction of the gap after removal from the immersion bath enables a simple visual inspection and a readjustment of the alignment of the joining partners to each other.
  • the joining partners heat collector and heat exchanger
  • the joining partners can be coated on both sides and over the entire surface at the same time.
  • the joining partners are not only partially but preferably completely immersed in the immersion bath.
  • the inner surfaces of the heat exchanger in particular can also be coated.
  • the coating that forms can be a protective layer (corrosion layer).
  • corrosion layer corrosion layer
  • the fusible solder for forming a protective layer can be, for example, a zinc alloy for simultaneous hot-dip galvanizing of the joining partners.
  • zinc also has the advantage of high mechanical strength and counteracts aging as an antioxidant.
  • Another advantage of zinc is the slightly lower density compared to steel, so that the joining partners, which are preferably made of steel, sink to the bottom in the immersion bath.
  • the immersion bath is preferably carried out as a hot-dip galvanizing process in accordance with the DIN EN ISO 1461 standard.
  • a chemical reaction between the zinc alloy and the steel surface of the joining partner forms an alloy layer of iron and zinc of up to 200 ⁇ m.
  • the first step of the method according to the invention - the positioning of the heat collector and the heat exchanger under Formation of a gap at a first distance from each other - done outside the immersion bath.
  • the first step can also take place entirely within the immersion bath.
  • the heat collector and the heat exchanger are positioned relative to one another via a spacer.
  • the spacer can be set up, for example, to clearly define the first and/or the second gap dimension.
  • the spacer can be connected to one of the joining partners, preferably the heat exchanger, for example by welding, soldering or gluing, before it is immersed in an immersion bath.
  • the spacer is releasably or non-releasably connected to the heat exchanger before the heat exchanger is placed at the first distance from the heat collector to form the gap and then immersed in the immersion bath.
  • the spacer can be in the form of a cylindrical body with sections extending along a longitudinal axis. Each section can expediently have a different cross-sectional area.
  • a cylinder body is to be understood as meaning any cross-sectional shape extending along a guide line.
  • they can be circular cross-sectional shapes of different diameters; the cylinder body is then a circular cylinder with two corrugated shoulders or recesses. Other cross-sectional shapes are possible.
  • the distances between the joining partners ie the distances between the start and end gaps, can be clearly defined by the height of individual sections.
  • the heat collector can have a receiving opening which is complementary to the spacer, in particular to one or more sections of the spacer.
  • the receiving opening can preferably receive the cylinder body in at least two different receiving positions (starting position, end position) with e.g. different penetration depths.
  • the receiving opening advantageously has a first opening section with an opening corresponding to the first cross-sectional area of a first section of the cylinder body and a second opening section with an opening corresponding to the second cross-sectional area of a second section of the cylinder body.
  • the spacer and the receiving opening can be designed in such a way that the spacer can be moved from the first opening section to the second opening section by a translation, i.e.
  • the spacer By changing the seating surface, the spacer can penetrate the receiving opening to different depths, so that the seating surface changes when the spacer is displaced, and the gap between the heat collector and the heat exchanger is thus reduced from the first distance to the second distance.
  • the displacement can take place, for example, by means of a cable attached to the spacer or to one of the joining partners.
  • a relative movement of the two joining partners can also be achieved by other suitable means.
  • the spacer can remain between the joining partners after the joining process is complete. It can also be partially or completely removed. As long as it remains between the joining partners, it can advantageously at least partially take over the forces to be transmitted between the heat collector and the heat exchanger.
  • the heat collector can be formed as a sheet piling.
  • a sheet piling is to be understood as meaning a structure which extends essentially flat and which is intended to be driven into the ground, for example by means of a hydraulic ram.
  • Such a trained heat collector is suitable, for example, as a geothermal collector for collecting geothermal heat or - if the sheet piling is built on a body of water to separate land and water - for collecting the heat stored in the water.
  • the advantage of this driving technique is the large-area connection of the sheet piling to the ground, which is displaced and thus compacted during ramming. There is no need for a time-consuming backfilling of a borehole that is usually required, e.g. with bentonite - as is usual with geothermal probes. Compared to geothermal probes - such as the widely used double U - the heat extraction performance can be significantly increased, especially if the thermal connection of the sheet piling to the heat exchanger is realized via a thermomechanical bridge. This allows the collector area to be reduced and costs to be saved.
  • the heat exchanger can be, in particular, a U-shaped pipe section with an inlet and an outlet, which is preferably connected over a large area to the heat collector.
  • the tube section is expediently designed as a rectangular hollow profile (rectangular tube), so that one side has a correspondingly planar contact surface for contact or connection with the heat collector or a corresponding contact surface of the heat collector. This allows a large-scale
  • Connection surface or connection surface between heat collector and heat exchanger and a high heat transfer performance and high mechanical strength can be achieved.
  • the heat exchanger is not closed at the inlet and outlet when the heat exchanger is immersed in the immersion bath.
  • the heat exchanger can also be coated from the inside.
  • the heat exchanger can expediently have a drain opening, through which air located in the heat exchanger can escape during immersion bathing and/or solder located in the heat exchanger can drain off after dynamic joining, or vice versa.
  • the immersion bathing can come from this Reason preferably done obliquely.
  • the heat exchanger is set at an angle of 5 to 30° to the horizontal, for example.
  • a heat transfer medium in particular a heat transfer fluid, can be passed through the heat exchanger, wherein the heat transfer medium can absorb thermal energy from the geothermal collector (or, in the case of cooling, deliver it to it) during the passage through the heat exchanger.
  • thermal insulation (insulating body) can be arranged at the inlet and/or at the outlet of the heat exchanger after the immersion bath. This minimizes heat transfer between inlet and outlet, i.e. the points with the greatest temperature difference. Furthermore, the heat dissipation to the environment at the level of the inlet or outlet can be minimized, so that the temperature level at the inlet or outlet can be increased overall.
  • the thermal insulation can be designed as a pipe insert with a central opening, which is inserted in the inlet or outlet of the heat exchanger and extends over a certain length, e.g. 50 cm, into the inlet or outlet.
  • the inlet and outlet can advantageously each be closed by a cover with a connection flange.
  • the cover can be welded onto the inlet or outlet. Other interfaces are possible.
  • thermal insulation allows the use of substantially pure water as the heat transfer fluid.
  • fluids with antifreeze - such as mixtures of water and glycol - pure water has a significantly lower viscosity, which means that the performance of the feed pump (also called brine pump) can be reduced.
  • the term "essentially pure water” means water with an additive content of max. 1% by volume.
  • the first gap dimension is more than 5 and less than 20 mm, particularly preferably more than 7 and less than 15 mm.
  • Such a gap size forms a good compromise between the necessary gap thickness for a complete wetting of all connecting surfaces on the one hand, as well as the smallest possible gap thickness for position-accurate joining with low tolerances on the other side.
  • the second gap size can be set independently of the first gap size (initial gap).
  • the second gap dimension can be set, for example, via the height of a section of a spacer.
  • the second gap is preferably 5mm or less, especially less than 3mm.
  • the second gap dimension can also be reduced to practically 0. This can be done, for example, by not using spacers to set the second gap size and by butting the joining partners to one another in step C of the method (reducing the gap to a second gap size).
  • the second gap dimension is then essentially determined by the unevenness of the joining partners. This has the advantage that the amount of solder and thus the costs are minimized and the heat conduction between the joining partners is maximized.
  • Both the heat exchanger and the heat collector can be made of a steel that is preferably suitable for hot-dip galvanizing, with the heat exchanger and the heat collector preferably being hot-dip galvanized when immersed in the immersion bath filled with a zinc alloy.
  • FIG. 1A shows a heat exchanger according to the invention with heat exchanger, heat collector and spacers of a first embodiment in a perspective exploded view
  • FIG. 1B shows the heat exchanger from Figure 1A in a 2nd perspective exploded view
  • Fig. 2A/B shows the heat exchanger in an end position in a 1st or 2nd perspective view
  • Fig. 3A/B shows a schematic joining process of the heat exchanger in an immersion bath a sectional view
  • 4 shows a spacer in a perspective view
  • FIGS. 5A/B shows a spacer received in a receiving opening of the heat collector in a 1st or 2nd position (starting position, end position)
  • 6A/B shows the spacer from FIGS. 5A and 5B received in the receiving opening in a plan view in the 1st and 2nd position.
  • the heat exchanger 1 shown in the following figures consists of a heat collector 2 and a heat exchanger 3 , which are or will be connected to one another in a materially bonded manner via a thermomechanical bridge 7 .
  • the thermomechanical bridge is located between the connecting surfaces 20 and 30 of the heat collector or heat exchanger 3 .
  • the thermomechanical bridge 7 can be a cold solder, in particular a zinc alloy.
  • a heat exchanger 1 according to the invention consisting of the heat exchanger 3 and the heat collector 2 is shown in the unassembled state.
  • the heat collector 2 is designed here as a substantially flat sheet pile wall with a central wall section and wings projecting left and right of it.
  • the heat exchanger 1 can, for example, be inserted into the ground in a vertical position by means of a ram, and its wall then forms a large contact surface for absorbing thermal energy from the ground.
  • the heat collector 2 will always have a temperature level similar to that of the ground.
  • heat exchangers 1 can be installed in series next to each other in the ground. These can advantageously be locked to one another by means of sheet piling locks on the wings of the profiles, which are not shown here.
  • the heat exchanger 3 is a rectangular tube with an inlet 31 and an outlet 32, via which the heat exchanger 3 can be supplied with a preferably liquid heat-conducting agent.
  • the heat exchanger 3 is also U-shaped with a left leg 3a, a right leg 3c and a connecting piece 3b therebetween.
  • the inlet 31 and the outlet 32 are at the same height at one end of a leg.
  • the heat conducting medium flowing through the heat exchanger 3 can absorb thermal energy from the heat collector 2 and transport it to a heat pump, for example, where the thermal energy can be raised to a higher level in a condenser of the heat pump with little energy expenditure and used, for example, to heat service water or to heat a building can.
  • the inlet 31 and the outlet 32 of the heat exchanger 3 can be closed with a cover 4" before or after the sheet pile wall 1 has been installed in the ground.
  • the covers 4′′ shown here are designed as covers with flanges and are preferably welded onto the inlet 31 or outlet 32 .
  • the flange represents a transition between the rectangular tube of the heat exchanger 3 and a supply line or discharge line of the heat exchanger 3, which is not shown.
  • the flanges are extended into the heat exchanger 3 and each pass through an insulating body 4 with a cylindrical opening 4' that is introduced into the inlet 31 or outlet 32. Provision can also be made to further reduce the pipe cross-section in this area so that the heat transfer fluid has less time to cool down in this cold section of the heat exchanger that is close to the surface.
  • the thermal resistances between the ground and heat collector 2, heat collector 2 and heat exchanger 3 and heat exchanger 3 and heat conducting means are kept as small as possible. It is correspondingly advantageous if the heat collector 2 is as large as possible and if a connection between the heat collector 2 and the heat exchanger 3 (connecting surfaces 20, 30) is as large as possible and at the same time thin in order to obtain the lowest possible thermal resistance. Since the heat exchanger 3 is to be used in the exemplary embodiment together with the heat collector 2 in the ground, the mechanical strength of the connection between the heat exchanger 3 and the heat collector 2 must also be sufficient to withstand being rammed into the ground, for example.
  • the heat collector 2 and the heat exchanger 3 can be cohesively connected to one another via the connecting surfaces 20 and 30, respectively.
  • the connection can be interpreted as a thermomechanical bridge 7 since it has both a low thermal resistance and a high mechanical load capacity.
  • the heat exchanger with the heat collector is spot-welded along the circumference (spot welding), as a result of which the mechanical strength of the connection is further increased.
  • the spacer(s) 5 are not removed during or after the dynamic joining, but remain between the joining partners, all or at least some of the shear forces occurring between the heat exchanger and the heat collector during the ramming process can be absorbed by the spacer(s).
  • Appropriate design of the spacers 5 can ensure that the transverse forces occurring during the ramming process do not lead to shearing off between the sections 54 and 55 of the spacer(s) 5 .
  • the shearing forces (transverse forces) acting on the thermomechanical bridge can be reduced as a result.
  • the integral connection between the heat exchanger 3 and the heat collector 2 is achieved by immersing the heat exchanger 3 and the heat collector 2 in an immersion bath 10 filled with a liquid fusible link, so that the fusible link enters a gap 6' with a first gap dimension VI (initial gap ) can flow between the connecting surfaces 20, 30 to be connected (Fig. 3A).
  • the gap 6 'before cooling of the fusible link is reduced to a final dimension with a distance V2 (end gap 6") (Fig. 3B).
  • the fusible link located in the gap 6" after the immersion bath forms the desired thermomechanical bridge 7 (Fig. 3B) after cooling.
  • a continuous wetting of all connecting surfaces 20, 30 can be achieved independently of the gap size V2. This means that high-viscosity fusible solders can also be used.
  • a thin metallic structure such as a metal grid (gauze) or expanded metal between the heat exchanger 3 and the heat collector 2, which is also coated in the subsequent immersion bath.
  • the fusible link in the immersion bath is a zinc alloy suitable for hot-dip galvanizing, which is heated to a temperature between 450°C and 550°C.
  • all surfaces of the heat exchanger 3 can be coated by the immersion bath, so that in addition to the production of a thermomechanical bridge, the entire heat exchanger can be provided with a protective layer. Further processing steps, in particular a separate hot-dip galvanizing, can be saved as a result.
  • the inlet 31 and the outlet 32 of the heat exchanger 3 are expediently not closed before the immersion bath, in order to allow the fusible link to penetrate into the heat exchanger 3 and thereby enable an internal coating. 2A, through which the air located in the heat exchanger can escape into the solder bath or through which solder can penetrate into the heat exchanger.
  • the opening can be closed again after joining.
  • the coating process is preferably carried out in such a way that the lower end of the arrangement consisting of the heat collector 2 and heat exchanger 3 dips into the solder at an angle of between 5 and 30°, so that a flow of solder from the inlet and outlet side through the opening in the connecting element back into the solder bath is possible.
  • the arrangement of heat collector 2 and heat exchanger 3 is fully immersed in the immersion bath 10, and held in the approximately 450°C to 550°C hot immersion bath for a certain holding time so that the heat collector 2 and the heat exchanger 3 are heated to the temperature of the immersion bath.
  • the heat exchanger 3 and the heat collector 2 are positioned relative to one another in this exemplary embodiment via spacers 5a, 5b and 5c.
  • the spacers 5a, 5b , 5c it can be the spacer 5 shown in FIG.
  • the spacer 5 shown in FIG. 4 is designed as a cylinder bolt extending along a rotational axis or longitudinal axis and having a first section 53, a second section 54 and a third section 55, each with a circular cross section with diameters D1, D2 or D3.
  • the three sections can also be referred to as guide section 53 , centering section 54 and connecting section 55 .
  • a plurality of receiving openings 21a, 21b, 21c for receiving the corresponding spacers 5a, 5b and 5c are arranged in the connecting surface 20 of the heat collector 2.
  • the receiving openings 21a, 21b, 21c are designed similar to a keyhole with a first opening section 22, here rectangular, with a width B1 and a height Hl and an adjoining second opening section 23, also rectangular, with a width B2 and a height H2, as can be seen in Fig 6 can be seen.
  • B2>B1 and H2>H1 apply to the dimensions.
  • Other geometries for the opening sections 22, 23 are possible.
  • the outer contour of the first section 53 is smaller than the outer contour of the first and second opening section 22, 23, that the outer contour of the second section 54 is smaller than that of the first opening section 22 but larger than that of the second opening section 23 and that the outer contour of the third section 54 is larger than that of the first and the second opening section 22, 23.
  • the spacer 5 is used to form a joint gap (initial gap) in the first opening portion 22, so that the guide portion 53 on three sides of the Receiving opening 22 is included and the spacer 5 with the shaft shoulder between the guide portion 53 and the centering section 54 of the spacer 5, ie the seating surface 51, on the connecting surface 30 of the heat collector 3 touches down.
  • the spacer 5 thus inserted is in the initial position PI, see Figures 1A, 5A, 6A.
  • the opening section 22 and the guide section 53 can be designed with more or less play, depending on the requirements for the fitting accuracy.
  • the heat exchanger 3 Before or after the spacer 5 is inserted into the opening portion 21 , the heat exchanger 3 is seated on the seating surface 52 of the connecting portion 55 of the spacer 5 .
  • the heat exchanger 3 can also be fixed to the spacer 5, for example by welding.
  • the heat exchanger 1 prepositioned in this way is then completely immersed in the immersion bath 10 in an inclined position with an inclination between preferably 5 and 40°, so that the gap 6' with the fusible link in the immersion bath 10 is closed, see FIG.
  • the spacer 5 Before removal, during removal or after removal, the spacer 5 can be moved upwards in the displacement direction TI shown in FIG. Since the outer contour (diameter D2) of the centering section 54 is smaller than the outer geometry of the opening section 23, the spacer 5 penetrates so deeply into the receiving opening 21 under the effect of gravity g (displacement direction T2) until the spacer with the shaft shoulder between the second and third Section 54, 55, ie the seating surface 52 abuts and rests on the connecting surface 20 of the heat collector 2 (end position P2 of the spacer 5, cf. FIGS. 5B, 6B).
  • the displacement of the spacer 5 in the displacement direction T1 and/or T2 can be supported by suitable means.
  • the displacement in the displacement direction T2 can be supported with a pressing device or a cable pull. As can be seen in particular from FIG. 3B, this reduces the gap size of the gap 6 from the first gap size V1 to the second gap size V2.
  • the second gap dimension V2 corresponds to the height of the third section, the spacer section 55, of the spacer 5.
  • the manufacturing process shown as an example is dynamic joining, in which two joining partners are pre-positioned using a spacer with a distance or gap, the gap is reduced to a target size with partial displacement of the solder introduced therein.
  • the manufacturing process presented here can be used in particular to produce heat exchangers with clearly defined connecting layers/thermo-mechanical bridges.
  • thermomechanical bridge (tin layer)
  • thermomechanical bridge 7 21 receiving opening (sheet piling)
  • thermomechanical bridge 7 31 inlet from evaporator heat pump

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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers (1), bei welchem ein Wärmekollektor und ein Wärmetauscher (3) über eine thermomechanische Brücke (7) stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Das Verfahren enthält, dass ein anfänglicher Spalt (6) zwischen dem Wärmekollektor und dem Wärmetauscher (3) während der Herstellung der thermodynamischen Brücke (7) von einem ersten Spaltmaß auf ein zweites Spaltmaß verkleinert wird.

Description

Herstellungsverfahren für einen Wärmeübertrager durch dynamisches Fügen
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Wärmeübertrager sind Vorrichtungen zur Übertragung von thermischer Energie von einer Wärmequelle zu einer Wärmesenke. Aus der JP 2013 204 841 Al ist ein Herstellungsverfahren für einen Wärmeübertrager bekannt, bei welchem zwei Leitungssysteme durch ein Schmelzlot miteinander verbunden werden. In jedem der Leitungssysteme fließt jeweils ein Wärmeübertragungsmittel. Die Verbindung erfolgt durch Tauchbaden der zueinander in Anlage gebrachten und damit vorpositionierten zwei Leitungssysteme des Wärmeübertragers in ein Tauchbad mit geschmolzenem Lot. Die zwei Leitungssysteme sind dabei ohne Spaltmaß unmittelbar in Anlage gebracht. Eines der Leitungssysteme weist an der Anlagefläche Nuten auf. Eine stoffschlüssige Verbindung zwischen den zwei Leitungssystemen erfolgt durch das Einfließen von Lot in die Nuten. Nach Erkalten des Schmelzlotes bildet dieses eine thermomechanische Brücke zwischen den zwei Leitungssystemen. Dies bedeutet, dass die zwei Leitungssysteme sowohl thermisch als auch mechanisch über das erkaltete Schmelzlot miteinander verbunden sind.
Für die Herstellung von thermisch wie auch mechanisch möglichst leistungsfähigen Verbindungen ist es erwünscht, dass die Fügepartner nach Möglichkeit großflächig und so nah wie möglich aneinander liegen. Eine dazwischen liegende Haftschicht bzw. Verbindungsschicht, hier das Schmelzlot, soll eine gleichmäßige Dicke mit möglichst geringem thermischen Widerstand aufweisen.
Die in der JP 2013 204 841 Al JP offenbarte thermomechanische Brücke weist aufgrund der Nuten jedoch eine ungleichmäßige Dicke bzw. Verbindungsschicht auf, sodass sich aufgrund der unterschiedlichen Material stärke der Verbindungsschicht Schwankungen in der thermischen Leitfähigkeit als auch Schwankungen in der mechanischen Festigkeit ergeben. Außerdem kann bei den unmittelbar in Anlage gebrachten Anlageflächen flüssiges Lot aufgrund seiner Viskosität nicht in die zu dünnen Spalte eindringen, so dass es zu Lufteinschlüssen kommen kann, die weder für die mechanische noch die thermische Leistungsfähigkeit von Vorteil sind.
Aus dem Stand der Technik sind mit der EP 1 184 124 A2 und der DE 10 2014 222 729 Al weiter Herstellungsverfahren zum stoffschlüssigen Verbinden zweier Fügepartner durch Vorpositionierung unter Beabstandung der Fügepartner und anschließendes Tauchbaden bekannt.
Vor diesem Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung ein Herstellungsverfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers mit einer möglichst leistungsfähigen, d.h. dünnen und gleichmäßigen, thermomechanischen Brücke anzugeben.
Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren nach Anspruch 1. In dem erfindungsgemäßen Verfahren wird ein Wärmeübertrager mit einem Wärmekollektor (erster Fügepartner; in Kontakt zur thermischen Quelle) und einem Wärmetauscher (zweiter Fügepartner, thermische Senke) über eine thermomechanische Brücke (stoffschlüssige Verbindungsschicht) verbunden, wobei die thermomechanische Brücke durch dynamisches Fügen erfolgt. Das dynamische Fügen umfasst die folgenden Schritte in der hier angegebenen Reihenfolge:
A. Positionieren des Wärmekollektors und des Wärmetauschers unter Ausbildung eines Spaltes in einem ersten Spaltmaß zueinander (Ausgangsspalt)
B. Verfüllen des Spaltes mit einem flüssigen Schmelzlot C. Verkleinern des Spaltes bis zu einem zweiten Spaltmaß zwischen dem Wärmekollektor und dem Wärmetauscher unter partieller Verdrängung des im Spalt befindlichen Schmelzlotes (Endspalt)
D. Abkühlen des flüssigen Schmelzlotes im verkleinerten Spalt (Endspalt) bis zur Erstarrung.
Beim dynamischen Fügen erfolgt während des Fügeprozesses also eine Relativbewegung zwischen den zwei Fügepartnem, also dem Wärmekollektor und dem Wärmetauscher. Durch die Relativbewegung kann eine vollständige Benetzung aller Verbindungs- bzw. Kontaktflächen zwischen dem Wärmekollektor und dem Wärmetauscher gewährleistet werden. Gleichzeitig werden Lufteinschlüsse vermieden.
Der Ausgangsspalt (erster Spaltmaß) ist dabei ausreichend groß gewählt, dass auch bei sehr großen bzw. sich sehr lang erstreckenden Spalten das Schmelzlot selbst bei hoher Viskosität vollständig in den Spalt eindringen und alle Kontaktflächen zwischen dem Wärmekollektor und dem Wärmetauscher benetzen kann. Anschließend wird der Anfangsspalt bis auf ein Zielmaß des Endspaltes (zweites Spaltmaß) verkleinert. Die Dicke (Höhe) des Endspaltes ist dabei zum Beispiel auf ein technisch mögliches Minimum reduziert, um einen möglichst geringen Wärmewiderstand zu erzeugen.
Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung. Die Verkleinerung des Spaltes kann beispielsweise rein passiv unter Ausnutzung der Schwerkraft bzw. des Eigengewichts der Fügepartner erfolgen. Alternativ oder zusätzlich kann die Verkleinerung des Spaltes auch über externe aufgebrachte Kräfte unterstützt werden.
Vorzugsweise erfolgt das Verfüllen des Spaltes mit einem flüssigen Schmelzlot dabei in einem mit dem flüssigen Schmelzlot gefüllten Tauchbad. Das Tauchbad bzw. das darin befindliche Schmelzlot weist vorzugsweise eine Temperatur von etwa 450° C oder mehr auf. Bei der sich ausbildenden, stoffschlüssigen Verbindung zwischen den Fügepartner handelt es sich dann um eine Hartlötverbindung, in der Legierungsbestandteile des Schmelzlots in die Fügepartner diffundieren und umgekehrt.
Um eine hohe Qualität der thermomechanischen Brücke (stoffschlüssige Verbindungsschicht) zwischen den Fügepartnem zu erhalten, ist es vorteilhaft, wenn die Fügepartner vor bzw. während des Fügeprozesses auf die Temperatur des Tauchbades erwärmt werden. Dies erleichtert das Eindiffundieren der Legierungsbestandteile des Schmelzlots in die Fügepartner und umgekehrt und erhöht hierdurch insb. die mechanische Festigkeit der thermomechanischen Brücke. Die Erwärmung der Fügepartner kann außerhalb des Tauchbades erfolgen. Bevorzugt wird die Erwärmung der Fügepartner jedoch in dem Tauchbad durch Eintauchen in das Tauchbad für eine gewisse Haltedauer bewirkt. Auf diese Weise kann auf separate Erwärmungsöfen oder vergleichbare Erwärmungsanlagen verzichtet werden. Die Erwärmung der Fügepartner erfolgt bevorzugt vor dem Schritt C, d.h. dem Verkleinern des Spaltes bis zu einem zweiten Spaltmaß zwischen dem Wärmekollektor und dem Wärmetauscher unter partieller Verdrängung des im Spalt befindlichen Schmelzlotes (Endspalt).
Zum Abkühlen des flüssigen Schmelzlotes im verkleinerten Spalt (Endspalt) bis zur Erstarrung (Schritt D) werden die Fügepartner aus dem Tauchbad entnommen. Das Verkleinern des Spaltes bis zu einem zweiten Spaltmaß in Schritt C kann dabei noch vor Entnahme aus dem Tauchbad, d.h. in dem Tauchbad, oder unmittelbar nach Entnahme aus dem Tauchbad erfolgen. Die Verkleinerung des Spaltes nach Entnahme aus dem Tauchbad ermöglicht eine einfache Sichtkontrolle sowie eine Nachjustierung der Ausrichtung der Fügepartner zueinander.
Durch die Verwendung eines Tauchbades können die Fügepartner (Wärmekollektor und Wärmetauscher) gleichzeitig auch beidseitig und vollflächig beschichtet werden. Die Fügepartner werden hierzu nicht nur teilweise, sondern bevorzugt vollständig in das Tauchbad eingetaucht. Neben Außenflächen der Fügepartner können dabei insb. auch die Innenflächen des Wärmetauschers beschichtet werden. Bei der sich ausbildenden Beschichtung kann es sich um eine Schutzschicht (Korrosionsschicht) handeln. Dadurch kann insbesondere korrosionsbedingten Zerfallsprozessen vorgebeugt werden. Bei dem Schmelzlot zur Ausbildung einer Schutzschicht kann es sich beispielsweise um eine Zinklegierung für ein gleichzeitiges Feuerverzinken der Fügepartner handeln. Zink hat neben einer hohen thermischen Leitfähigkeit außerdem den Vorteil hoher mechanischer Festigkeit und wirkt einer Alterung als Antioxidans entgegen. Ein weiterer Vorteil von Zink ist die etwas geringere Dichte im Vergleich zu Stahl, so dass die Fügepartner, die bevorzugt aus Stahl gefertigt sind, im Tauchbad nach unten sinken.
Vorzugsweise wird das Tauchbaden als Feuerverzinkungsprozess gemäß der Norm DIN EN ISO 1461 ausgeführt. Beim Feuerverzinken bilden sich durch eine chemische Reaktion zwischen der Zinklegierung und der der aus Stahl gefertigten Oberfläche der Fügepartner eine Legierungsschicht aus Eisen und Zink von bis zu 200 pm aus.
In einer Ausführungsform der Erfindung kann der erste Schritt des erfindungsgemäßen Verfahrens - die Positionierung des Wärmekollektors und des Wärmetauschers unter Ausbildung eines Spaltes in einem ersten Abstand zueinander - außerhalb des Tauchbades erfolgen. Hierdurch ist insbesondere eine einfache Sichtkontrolle der Qualität der Positionierung von Wärmekollektor und Wärmetauscher zueinander und den dazwischen angeordneten Spalt möglich. In einer anderen Ausführungsform der Erfindung kann der erste Schritt auch vollständig innerhalb des Tauchbades erfolgen.
In einer vorteilhaften Ausführungsform werden der Wärmekollektor und der Wärmetauscher über einen Abstandshalter zueinander positioniert. Der Abstandshalter kann zum Beispiel eingerichtet sein, das erste und/oder das zweite Spaltmaß eindeutig festzulegen.
Denkbar und möglich ist es, auch mehrere Abstandshalter einzusetzen. Mit mehreren Ab standshal tem kann insbesondere eine erwünschte Koplanarität der Fügepartner erzielt bzw. verbessert werden.
Zur Vereinfachung des Fügeprozesses kann der Abstandshalter vor dem Eintauchen in ein Tauchbad mit einem der Fügepartner, vorzugsweise dem Wärmetauscher, zum Beispiel stoffschlüssig durch Schweißen, Löten oder Kleben, verbunden werden. Hierdurch können unerwünschte Freiheitsgrade eliminiert werden. Z.B. wird der Abstandshalter lösbar oder unlösbar mit dem Wärmetauscher verbunden, bevor der Wärmetauscher gegenüber dem Wärmekollektor unter Ausbildung des Spaltes in dem ersten Abstand voneinander platziert und anschließend in das Tauchbad eingetaucht wird.
Zweckmäßig kann es sein, dass der Abstandshalter als Zylinderkörper mit sich entlang einer Längsachse erstreckenden Abschnitten ausgebildet ist. Jeder Abschnitt kann dabei zweckmäßig eine unterschiedliche Querschnittsfläche aufweisen. Unter Zylinderkörper ist dabei jede sich entlang einer Führungslinie erstreckende Querschnittsform zu verstehen.
In einer Ausführungsform kann es sich um kreisrunde Querschnittsformen unterschiedlicher Durchmesser handeln; bei dem Zylinderkörper handelt es sich dann um einen Kreiszylinder mit zwei Wellenschultern bzw. Rücksprüngen. Andere Querschnittsformen sind möglich.
Durch die Höhe einzelner Abschnitte können z.B. die Abstände der Fügepartner, d.h. die Abstände von Anfangs- und Endspalt, eindeutig festgelegt werden. Zur Aufnahme eines Abschnitts des Zylinderkörpers kann der Wärmekollektor eine zum Abstandshalter, insb. zu einem oder mehreren Abschnitten des Abstandshalters, komplementäre Aufnahmeöffnung aufweisen.
Die Aufnahmeöffnung kann den Zylinderkörper vorzugsweise in wenigstens zwei unterschiedlichen Aufnahmepositionen (Anfangsposition, Endposition) mit z.B. unterschiedlicher Eindringtiefe aufnehmen. Die Aufnahmeöffnung weist vorteilhaft einen ersten Öffnungsabschnitt mit einer zur ersten Querschnittsfläche eines ersten Abschnitts des Zylinderköpers korrespondierenden Öffnung sowie einen zweiten Öffnungsabschnitt mit einer zur zweiten Querschnittsfläche eines zweiten Abschnitts des Zylinderköpers korrespondierenden Öffnung auf. Der Abstandshalter und die Aufnahmeöffnung können dabei so ausgebildet sein, dass der Abstandshalter durch eine Translation, d.h. Verschiebebewegung, in Ebene der Aufnahmeöffnung, von dem ersten Öffnungsabschnitt zu dem zweiten Öffnungsabschnitt verschiebbar ist, wobei der Abstandshalter in der ersten Aufnahmeöffnung mit einer ersten Aufsitzfläche auf dem Wärmekollektor aufliegt und der Abstandshalter in dem zweiten Öffnungsabschnitt mit einer zweiten Aufsitzfläche auf dem Wärmekollektor aufliegt. Durch den Wechsel der Aufsitzfläche kann der Abstandshalter unterschiedlich tief in die Aufnahmeöffnung eindringen, so dass über die Verschiebung des Abstandshalters ein Wechsel der Aufsitzoberfläche erfolgt und damit der Spalt zwischen dem Wärmekollektor und dem Wärmetauscher von dem ersten Abstand auf den zweiten Abstand verkleinert wird.
Die Verschiebung kann beispielsweise durch ein am Abstandshalter oder an einem der Fügepartner befestigten Seilzug erfolgen. Eine Relativbewegung der zwei Fügepartner kann auch durch andere geeignete Mittel erzielt werden. Der Abstandshalter kann nach Abschluss des Fügeprozesses zwischen den Fügepartnern verbleiben. Er kann auch partiell oder in Gänze entfernt werden. Soweit er zwischen den Fügepartnem verbleibt, kann er vorteilhaft zwischen Wärmekollektor und Wärmetauscher zu übertragende Kräfte zumindest teilweise übernehmen. Der Wärmekollektor kann in einer zweckmäßigen Anwendung als Spundwand ausgebildet sein. Unter Spundwand ist ein im Wesentlichen flächig sich erstreckendes Gebilde zu verstehen, welches vorgesehen ist, in ein Erdreich beispielsweise mittels einer Hydraulik-Ramme eingetrieben zu werden. Ein derart ausgebildeter Wärmekollektor eignet sich zum Beispiel als Erdkollektor zum Sammeln von Erdwärme oder - wenn die Spundwand an einem Gewässer zur Trennung von Land und Wasser errichtet ist - zum Sammeln der im Wasser gespeicherten Wärme.
Von Vorteil ist bei dieser Einbringtechnik die großflächige Anbindung der Spundwand an das Erdreich, welches beim Rammen verdrängt und damit verdichtet wird. Auf eine aufwändige Verfüllung eines üblicherweise notwendigen Bohrlochs mit z.B. Bentonit - wie bei Erdsonden üblich - kann verzichtet werden. Gegenüber Erdsonden - wie dem weit verbreiteten Doppel-U - kann die Wärmeentzugsleistung deutlich gesteigert werden, insbesondere dann, wenn die thermische Anbindung der Spundwand an den Wärmetauscher über eine thermomechanische Brücke realisiert ist. Damit können die Kollektorfläche verkleinert und Kosten eingespart werden.
Bei dem Wärmetauscher kann es sich um einen insbesondere U-förmigen Rohrabschnitt mit einem Einlass und einem Auslass handeln, welcher vorzugsweise flächig mit dem Wärmekollektor verbunden ist. Der Rohrabschnitt ist zweckmäßig als rechteckiges Hohlprofil (Rechteck-Rohr) ausgebildet, so dass eine Seite eine entsprechend plane Anlagefläche zur Anlage bzw. Verbindung mit dem Wärmekollektor bzw. einer korrespondierenden Anlagefläche des Wärmekollektors aufweist. Hierdurch kann eine großflächige
Anbindungsfläche bzw. Verbindungsfläche zwischen Wärmekollektor und Wärmetauscherund eine hohe Wärmeübertragungsleistung sowie eine hohe mechanische Festigkeit erreicht werden.
In einer zweckmäßigen Ausführungsform wird der Wärmetauscher an Einlass und Auslass beim Eintauchen des Wärmeübertragers in das Tauchbad nicht verschlossen. Hierdurch kann der Wärmeübertrager auch von innen beschichtet werden. Zweckmäßigerweise kann der Wärmetauscher eine Abflussöffnung aufweisen, durch welche im Wärmetauscher befindliche Luft beim Tauchbaden entweichen kann und/oder im Wärmetauscher befindliches Lot nach dem dynamischen Fügen abfließen kann oder umgekehrt. Das Tauchbaden kann aus diesem Grund bevorzugt schräg erfolgen. Der Wärmetauscher ist beim Eintauchen in das Tauchbad z.B. in einem Winkel von 5 bis 30° gegenüber der Horizontalen angestellt.
Durch den Wärmetauscher kann im Betrieb ein Wärmeübertragungsmittel, insbesondere ein Wärmeübertragungsfluid, geleitet werden, wobei das Wärmeübertragungsmittel während der Passage durch den Wärmetauscher thermische Energie von dem Erdkollektor aufnehmen (oder im Fall der Kühlung an diesen abgeben) kann.
In einer vorteilhaften Weiterbildung können nach dem Tauchbaden am Einlass und/oder am Auslass des Wärmetauschers eine Wärmeisolierung (Isolierkörper) angeordnet werden. Hierdurch kann ein Wärmeübergang zwischen Einlass und Auslass, d.h. den Stellen mit dem höchsten Temperaturunterschied, minimiert werden. Weiterhin kann die Wärmeabgabe an die Umgebung auf Höhe von Ein- bzw. Auslass minimiert werden, so dass das Temperaturniveau an Ein- bzw. Auslass insgesamt angehoben werden kann.
Die Wärmeisolierung kann als Rohreinsatz mit einer zentrischen Öffnung ausgebildet sein, die im Einlass bzw. Auslass des Wärmetauschers eingesetzt wird und sich über eine bestimmte Länge, z.B. 50cm, in den Einlass bzw. Auslass hinein erstrecken. Ein- und Auslass können vorteilhaft über jeweils einen Deckel mit einem Anschlussflansch verschlossen werden. Der Deckel kann auf den Einlass bzw. Auslass aufgeschweißt sein. Andere Schnittstellen sind möglich.
Eine Wärmeisolierung erlaubt in einer bevorzugten Anwendung den Einsatz von im Wesentlichen reinem Wasser als Wärmeübertragungsfluid. Gegenüber der Verwendung von Fluiden mit Frostschutz - wie z.B. Gemische aus Wasser und Glycol - weist reines Wasser eine wesentlich niedrigere Viskosität auf, wodurch die Leistung der Förderpumpe (auch Solepumpe genannt) reduziert werden kann. Unter dem Begriff „im Wesentlichen reines Wasser“ ist Wasser mit einem Additiv-Gehalt von max. 1 Vol-% zu verstehen.
In einer vorteilhaften Ausführung beträgt das erste Spaltmaß (Anfangsspalt) mehr als 5 und weniger als 20 mm, besonders bevorzugt mehr als 7 und weniger als 15 mm. Ein derartiges Spaltmaß bildet einen guten Kompromiss zwischen notwendiger Spaltdicke für eine vollständige Benetzung aller Verbindungsflächen auf der einen Seite, sowie möglichst geringer Spaltdicke für ein positionstreues Fügen mit geringen Toleranzen auf der anderen Seite.
Unabhängig vom ersten Spaltmaß (Anfangsspalt) kann das zweite Spaltmaß eingestellt werden. In einer zweckmäßigen Ausführungsvariante kann das zweite Spaltmaß z.B. über die Höhe eines Abschnitts eines Abstandshalters eingestellt sein. Das zweite Spaltmaß beträgt bevorzugt 5mm oder weniger, insb. weniger als 3mm.
Das zweite Spaltmaß kann jedoch auch auf praktisch 0 reduziert werden. Dies kann z.B. erfolgen, indem keine Abstandshalter zum Einstellen des zweiten Spaltmaßes verwendet werden und die Fügepartner aufeinander in Schritt C des Verfahrens (Verkleinern des Spaltes auf ein zweites Spaltmaß) auf Stoß gefügt werden. Das zweite Spaltmaß ist dann im Wesentlichen durch die Unebenheiten der Fügepartner bestimmt. Dies hat den Vorteil, dass die Lotmenge und damit die Kosten minimiert und die Wärmeleitung zwischen den Fügepartnern maximiert wird.
Sowohl der Wärmetauscher als auch der Wärmekollektor können aus einem Stahl gefertigt sein, der bevorzugt für Feuerverzinken geeignet ist, wobei bevorzugt der Wärmetauscher und der Wärmekollektor beim Eintauchen in das mit einer Zinklegierung gefüllte Tauchbad feuerverzinkt werden.
Weitere Merkmale und vorteilhafte Ausprägungen der Erfindung ergeben sich aus den Figuren und der nachfolgenden Figurenbeschreibung.
Dabei zeigen
Fig. 1A einen erfindungsgemäßen Wärmeübertrager mit Wärmetauscher, Wärmekollektor und Abstandshaltem einer 1. Ausführungsform in einer perspektivischen Explosionsansicht,
Fig. 1B den Wärmeübertrager aus Figur 1A in einer 2. perspektivischen Explosionsansicht, Fig. 2A/B den Wärmeübertrager in einer Endposition in einer 1. bzw. 2. perspektivischen Ansicht, Fig. 3A/B einen schematischen Fügeprozess des Wärmetauschers in einem Tauchbad in einer Schnittansicht, Fig. 4 einen Abstandshalter in einer perspektivischen Ansicht, Fig. 5A/B einen in einer Aufnahmeöffnung des Wärmekollektors aufgenommenen Abstandshalter in einer 1. bzw. 2. Position (Anfangsposition, Endposition),
Fig. 6A/B den in der Aufnahmeöffnung aufgenommenen Abstandshalter aus Figur 5A und 5B in einer Draufsicht in der 1. bzw. 2. Position.
Der in den nachfolgenden Figuren gezeigte Wärmeübertrager 1 besteht aus einem Wärmekollektor 2 und einem Wärmetauscher 3, welche über eine thermomechanischen Brücke 7 stoffschlüssig miteinander verbunden sind bzw. werden. Die thermomechanische Brücke ist dabei zwischen den Verbindungsflächen 20 und 30 von Wärmekollektor bzw. Wärmetauscher 3 befindlich. Bei der thermomechanische Brücke 7 kann es sich um ein erkaltetes Lot, insbesondere eine Zinklegierung, handeln.
In den Figuren 1 A und 1B ist ein erfindungsgemäßer Wärmeübertrager 1 bestehend aus dem Wärmetauscher 3 und dem Wärmekollektor 2 in noch nicht montiertem Zustand gezeigt. Der Wärmekollektor 2 ist hier als im Wesentlichen flächige Spundwand mit einem zentralen Wandabschnitt und links und rechts davon abstehenden Flügeln ausgebildet.
Der Wärmeübertrager 1 kann beispielsweise senkrecht stehend mittels einer Ramme in ein Erdreich eingesetzt werden, und bildet dann mit seiner Wandung eine große Kontaktfläche zur Aufnahme von thermischer Energie aus dem Erdreich. In anderen Worten wird der Wärmekollektor 2 stets ein dem Erdreich ähnliches Temperaturniveau aufweisen.
Zur Vergrößerung der Leistungsparameter können mehrere Wärmeübertrager 1 seriell nebeneinander in den Boden eingebracht werden. Diese können vorteilhaft über hier nicht eingezeichnete an den Flügeln der Profile befindliche Spundwandschlösser miteinander verriegelt werden.
Bei dem Wärmetauscher 3 handelt es sich in dem Ausführungsbeispiel um ein Rechteckrohr mit einem Einlass 31 und einem Auslass 32, über welche der Wärmetauscher 3 mit einem vorzugsweise flüssigen Wärmeleitmittel beaufschlagt werden kann. Der Wärmetauscher 3 ist außerdem U-förmig mit einem linken Schenkel 3a, einem rechten Schenkel 3c und einem dazwischen liegenden Verbindungsstück 3b ausgebildet. Der Einlass 31 und der Auslass 32 liegen hierdurch an einem Ende eines Schenkels auf derselben Höhe. Über das im Betrieb durch den Wärmetauscher 3 fließende Wärmeleitmittel kann thermische Energie des Wärmekollektors 2 aufgenommen und beispielsweise zu einer Wärmepumpe transportiert werden, wo die thermische Energie unter geringem Energieaufwand in einem Kondensator der Wärmepumpe auf ein höheres Niveau gehoben und beispielsweise zur Erhitzung von Brauchwasser oder dem Heizen eines Gebäudes verwendet werden kann.
Der Einlass 31 und der Auslass 32 des Wärmetauschers 3 können vor oder auch erst nach dem Einbringen der Spundwand 1 in das Erdreich mit einem Deckel 4“ verschlossen werden. Die hier dargestellten Deckel 4“ sind als Deckel mit Flanschen ausgebildet und werden bevorzugt auf dem Einlass 31 bzw. Auslass 32 verschweißt. Der Flansch stellt gleichzeitig einen Übergang zwischen dem Rechteckrohr des Wärmetauschers 3 und einer nicht dargestellten Zuleitung bzw. Ableitung des Wärmetauschers 3 dar.
Die Flansche sind hierbei in den Wärmetauscher 3 hinein verlängert und passieren jeweils einen in den Einlass 31 bzw. Auslass 32 eingebrachten Isolierkörper 4 mit einer zylindrischen Öffnung 4‘. Es kann auch vorgesehen sein, den Rohrquerschnitt in diesem Bereich weiter zu reduzieren, damit das Wärmeträgerfluid weniger Zeit hat, sich in diesem kalten, erdoberflächennahen Abschnitt des Wärmetauschers abzukühlen.
Aufgrund der Isolierkörper 4 kühlt der Einlass und der Auslass selbst bei Minusgraden nicht unter den Gefrierpunkt ab. Daher kann zweckmäßig im Wärmetauscher (3) Wasser anstelle eines üblicherweise verwendeten Wasser-Glycol-Gemischs verwendet werden. Das hat folgende Vorteile: (1) Es werden keine grundwassergefährdenden Stoffe verwendet, wodurch das Zulassungsverfahren einfacher wird, (2) Aufgrund der geringeren Viskosität sinkt die Leistungsaufnahme der Förderpumpe und (3) Kostenvorteile.
Für eine effiziente Wärmeübertragung ist es notwendig, dass die thermischen Widerstände zwischen Erdreich und Wärmekollektor 2, Wärmekollektor 2 und Wärmetauscher 3 sowie Wärmetauscher 3 und Wärmeleitmittel möglichst klein gehalten sind. Entsprechend vorteilhaft ist es, wenn der Wärmekollektor 2 möglichst großflächig ist und wenn eine Verbindung zwischen Wärmekollektor 2 und Wärmetauscher 3 (Verbindungsflächen 20, 30) möglichst großflächig und gleichzeitig dünn ist, um einen möglichst niedrigen thermischen Widerstand zu erhalten. Da der Wärmetauscher 3 in dem Ausführungsbeispiel gemeinsam mit dem Wärmekollektor 2 in das Erdreich eingesetzt werden soll, muss auch die mechanische Belastbarkeit der Verbindung von Wärmetauscher 3 und Wärmekollektor 2 ausreichend sein, um beispielsweise ein Einrammen in das Erdreich zu überstehen. Insbesondere ist es dabei wichtig, dass beim Einrammen in der stoffschlüssigen Verbindung von Wärmetauscher 3 und Wärmekollektor 2 keine für die thermische Leitfähigkeit unvorteilhaften Risse entstehen. Die Rissneigung kann insbesondere verringert werden, indem die auf den Wärmetauscher bzw. die auf die Verbindung wirkenden Querkräfte möglichst gering gehalten werden. Auch aus mechanischer Sicht ist es daher vorteilhaft, wenn die Verbindungsschicht möglichst dünn gestaltet ist.
Zur Herstellung des Wärmetauschers 1 können der Wärmekollektor 2 sowie der Wärmetauscher 3 über die Verbindungsflächen 20 bzw. 30 stoffschlüssig miteinander verbunden werden. Die Verbindung kann dabei als thermomechanische Brücke 7 aufgefasst werden, da sie sowohl einen niedrigen thermischen Widerstand als auch eine hohe mechanische Belastbarkeit aufweist.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, den Wärmetauscher mit dem Wärmekollektor entlang des Umfangs punktuell über Schweißen anzupunkten (Punktschweißen), wodurch die mechanische Festigkeit der Verbindung weiter erhöht wird.
Wenn der oder die unten näher erläuterten Abstandshalter 5 beim oder nach dem dynamischen Fügen nicht entfernt werden, sondern zwischen den Fügepartnem verbleiben, können alle oder zumindest ein Teil der während des Rammvorganges auftretenden Scherkräfte zwischen Wärmetauscher und Wärmekollektor von dem oder den Abstandshaltem aufgenommen werden. Durch entsprechende Auslegung der Abstandhalter 5 kann sichergestellt werden, dass die beim Rammvorgang auftretenden Querkräfte nicht zu einem Abscheren zwischen den Abschnitten 54 und 55 des oder der Abstandshalter 5 führen. Die auf die thermomechanische Brücke wirkenden Scherkräfte (Querkräfte) können hierdurch gesenkt werden. Die stoffschlüssige Verbindung zwischen dem Wärmetauscher 3 und dem Wärmekollektor 2 erfolgt in diesem Ausführungsbeispiel durch ein Tauchbaden von Wärmetauscher 3 und Wärmekollektor 2 in ein mit einem flüssigen Schmelzlot gefüllten Tauchbad 10, so dass das Schmelzlot in einen Spalt 6' mit einem ersten Spaltmaß VI (Anfangsspalt) zwischen die zu verbindenden Verbindungsflächen 20, 30 fließen kann (Fig. 3 A). Der Spalt 6' wird vor Erkalten des Schmelzlotes auf ein Endmaß mit einem Abstand V2 verringert (Endspalt 6") (Fig. 3B). Das nach dem Tauchbad im Spalt 6" befindliche Schmelzlot bildet nach Erkalten die gewünschte thermomechanische Brücke 7 (Fig. 3B). Durch die Ausbildung eines Anfangsspaltes 6' kann eine durchgehende Benetzung aller Verbindungsflächen 20, 30 unabhängig von dem Spaltmaß V2 erzielt werden. Auch hochviskose Schmelzlote können hierdurch verwendet werden.
Es kann auch vorgesehen sein, zwischen Wärmetauscher 3 und Wärmekollektor 2 zusätzlich eine (nicht eingezeichnete) dünne metallische Struktur wie z.B. ein Metallgitter (Gaze) oder ein Streckmetall einzubringen, welches im anschließenden Tauchbad mit beschichtet wird. Damit können größere Einebenheiten zwischen den Verbindungsflächen 20, 30 überbrückt werden, ohne dass die Zinkschicht zu dick oder unterbrochen wird, was die mechanische Festigkeit nachteilig beeinflussen könnte. Bei dem in dem Tauchbad befindlichen Schmelzlot handelt es sich um ein für ein Feuerverzinken geeignete Zinklegierung, das auf eine Temperatur zwischen 450°C und 550°C erhitzt ist.
Durch das Tauchbaden können außerdem alle Oberflächen des Wärmetauschers 3 beschichtet werden, so dass neben der Herstellung einer thermomechanischen Brücke der gesamte Wärmeübertrager mit einer Schutzschicht versehen werden kann. Weitere Bearbeitungsschritte, insbesondere ein separates Feuerverzinken, können hierdurch eingespart werden.
Der Einlass 31 und der Auslass 32 des Wärmetauschers 3 werden vor dem Tauchbaden zweckmäßig nicht verschlossen, um ein Eindringen des Schmelzlotes in den Wärmetauscher 3 und dadurch eine innenliegende Beschichtung zu ermöglichen Das Verbindungselement 3b zwischen dem linken und rechten Schenkel 3a bzw. 3c (Vor- und Rücklauf) weist hierzu bevorzugt am unteren Ende eine in Fig. 2A angedeutete Öffnung O auf, durch die im Wärmetauscher befindliche Luft ins Lotbad austreten bzw. Lot in den Wärmetauscher eindringen kann. Die Öffnung kann nach dem Fügen wieder verschlossen werden. Der Beschichtungsprozess erfolgt bevorzugt so, dass das untere Ende der aus Wärmekollektor 2 und Wärmetauscher 3 bestehenden Anordnung mit einer Neigung zwischen 5 bis 30° in das Lot eintaucht, so dass ein Lotfluss von der Ein- und Auslassseite durch die Öffnung im Verbindungselement zurück in das Lotbad möglich ist. Die Anordnung aus Wärmekollektor 2 und Wärmetauscher 3 wird vollständig in das Tauchbad 10 eingetaucht, und für eine bestimmte Haltedauer in dem etwa 450°C bis 550°C heißen Tauchbad gehalten, so dass der Wärmekollektor 2 und der Wärmetauscher 3 auf die Temperatur des Tauchbades erwärmt werden.
Zur Ausbildung der entsprechenden Spalte (Anfangs- bzw. Endspalt 6', 6" mit Spaltmaßen VI, V2), werden der Wärmetauscher 3 und der Wärmekollektor 2 in diesem Ausführungsbeispiel über Abstandshalter 5a, 5b und 5c zueinander positioniert. Bei den Abstandshaltern 5a, 5b, 5c kann es sich um den in Figur 4 gezeigten Abstandshalter 5 handeln.
Der in Figur 4 gezeigt Abstandshalter 5 ist als ein sich entlang einer Rotationsachse bzw. Längsachse erstreckender Zylinderbolzen mit einem ersten Abschnitt 53, einem zweiten Abschnitt 54 und einem dritten Abschnitt 55 mit jeweils kreisrundem Querschnitt mit den Durchmessern Dl, D2 respektive D3 ausgebildet. Die drei Abschnitte können alternativ auch als Führungsabschnitt 53, Zentrierabschnitt 54 und Verbindungsabschnitt 55 bezeichnet werden.
In der Verbindungsfläche 20 des Wärmekollektors 2 sind vorteilhaft mehrere Aufnahmeöffnungen 21a, 21b, 21c zur Aufnahme der entsprechenden Abstandshalter 5a, 5b und 5c angeordnet. Die Aufnahmeöffnungen 21a, 21b, 21c sind dabei ähnlich einem Schlüsselloch mit einem ersten hier rechteckigen Öffnungsabschnitt 22 mit einer Breite Bl und einer Höhe Hl sowie einem sich daran anschließenden zweiten ebenfalls rechteckigen Öffnungsabschnitt 23 mit einer Breite B2 und einer Höhe H2 ausgestaltet, wie aus Fig. 6 ersichtlich. Für die Abmessungen gilt B2 > Bl sowie H2 > Hl. Andere Geometrien für die Öffnungsabschnitte 22, 23 sind möglich.
Weiterhin gilt, dass die Außenkontur des ersten Abschnitts 53 kleiner ist als die Außenkontur des ersten und zweiten Öffnungsabschnitts 22, 23, dass die Außenkontur des zweiten Abschnitts 54 kleiner ist als die des ersten Öffnungsabschnitts 22, aber größer als die des zweiten Öffnungsabschnitts 23 und dass die Außenkontur des dritten Abschnitts 54 größer ist als die des ersten und des zweiten Öffnungsabschnitts 22, 23.
Der Abstandshalter 5 wird zur Ausbildung eines Fügespaltes (Anfangsspaltes) in den ersten Öffnungsabschnitt 22 eingesetzt, so dass der Führungsabschnitt 53 dreiseitig von der Aufnahmeöffnung 22 umfasst wird und der Abstandshalter 5 mit der Wellenschulter zwischen dem Führungsabschnitt 53 und dem Zentrierab schnitt 54 des Abstandshalters 5, i.e. der Aufsitzfläche 51, auf der Verbindungsfläche 30 des Wärmekollektors 3 aufsetzt. Der so eingesetzte Abstandshalter 5 befindet sich in der Anfangsposition PI, vgl. Fig. 1 A, 5A, 6A.
Je nach Anforderungen an die Passgenauigkeit können der Öffnungsabschnitt 22 und der Führungsabschnitt 53 mit mehr oder weniger Spiel ausgebildet sein.
Vor oder nach dem Einsetzen des Abstandshalters 5 in den Öffnungsabschnitt 21 wird der Wärmetauscher 3 auf die Aufsitzfläche 52 des Verbindungsabschnitts 55 des Abstandshalters 5 aufgesetzt. Der Wärmetauscher 3 kann auch fest mit dem Abstandshalter 5 verbunden sein, zum Beispiel durch Schweißen.
Damit ergibt sich ein Spalt zwischen Wärmekollektor 2 und Wärmetauscher 3, dessen Höhe (Spaltmaß VI) über die Höhe des Abstandsabschnitts 54 und des Verbindungsabschnitts 55 definiert ist, vergleiche Fig. 3 A.
Der so vorpositionierte Wärmeübertrager 1 wird dann in schräger Position mit einer Neigung zwischen bevorzugt 5 und 40° vollständig in das Tauchbad 10 eingetaucht, so dass der Spalt 6' mit dem im Tauchbad 10 befindlichen Schmelzlot verfällt wird, vgl. Fig. 3A.
Vor Entnahme, bei Entnahme oder nach Entnahme kann der Abstandshalter 5 in der zum Beispiel aus Figur 1B ersichtlichen Verschieberichtung TI nach oben verschoben werden, so dass der Abstandshalter über dem zweiten Öffnungsabschnitt 23 der Aufnahmeöffnung 21 zu liegen kommt. Da die Außenkontur (Durchmesser D2) des Zentrierabschnitts 54 kleiner ist als die Außengeometrie des Öffnungsabschnitts 23, dringt der Abstandshalter 5 unter Wirkung der Schwerkraft g so tief in die Aufnahmeöffnung 21 ein (Verschieberichtung T2), bis der Abstandshalter mit der Wellenschulter zwischen zweitem und drittem Abschnitt 54, 55, i.e. der Aufsitzfläche 52 auf der Verbindungsfläche 20 des Wärmekollektors 2 anschlägt und aufliegt (Endposition P2 des Abstandshalters 5, vgl. Fig. 5B, 6B). Die Verschiebung des Abstandshalters 5 in Verschieberichtung TI und/oder T2 kann durch geeignete Mittel unterstützt werden. Beispielsweise kann die Verschiebung in Verschieberichtung T2 mit einer Pressvorrichtung oder einem Seilzug unterstützt werden. Wie insb. aus Fig. 3B ersichtlich, wird hierdurch das Spaltmaß des Spaltes 6 von dem ersten Spaltmaß V 1 auf das zweite Spaltmaß V2 reduziert. Das zweite Spaltmaß V2 entspricht dabei der Höhe des dritten Abschnitts, dem Abstandsabschnitt 55, des Abstandshalters 5.
Nach Erkalten des Schmelzlotes in dem Endspalt 6" können Überstände Abstandshalters 5 (Abschnitt 53) gegebenenfalls entfernt werden. Sie können jedoch auch dort verbleiben.
Bei dem exemplarisch gezeigten Herstellungsprozess handelt es sich um ein dynamisches Fügen, bei welchem zwei Fügepartner über einen Abstandshalter mit einem Abstand bzw. Spalt vorpositioniert, der Spalt unter partieller Verdrängung darin eingebrachten Lotes auf ein Zielmaß verkleinert wird. Durch das hier vorgestellte Herstellungsverfahren können insb. Wärmeübertrager mit klar definierten Verbindungsschichten/thermomechanischen Brücken hergestellt werden.
Bezugszeichenliste
Bl Öffnungsbreite (Öffnungsabschnitt)
B2 Öffnungsbreite (Öffnungsabschnitt)
Hl Öffnungshöhe (Öffnungsabschnitt)
H2 Öffnungshöhe (Öffnungsabschnitt)
Dl Durchmesser Abstandshalter
D2 Durchmesser Abstandshalter
D3 Durchmesser Abstandshalter
PI Position 1 (Abstandshalter)
P2 Position 2 (Abstandshalter)
TI 1. Translationsrichtung (Verschieberichtung)
T2 2. Translationsrichtung (Fallrichtung)
R Längsachse (Abstandshalter) VI Spaltmaß (Anfangsspalt)
V2 Spaltmaß (Endspalt) 1 Wärmeübertragungsvorrichtung
2 Wärmekollektoren (Spundwand)
3 Wärmetauscher (Rechteck-Rohr)
3 a Vorlauf (von Verdampfer der Wärmepumpe)
3b Verbindungselement 3c Rücklauf (zu Verdampfer der Wärmepumpe)
4 Isolierkörper des Wärmetauschers (bodennaher Bereich)
4‘ Öffnung in Isolierkörper
4“ Deckel
5 Abstandshalter
6 Spalt
6' Anfangsspalt
6" Endspalt 7 thermomechanische Brücke (Zinnschicht)
10 Tauchbad
20 Verbindungsfläche (Spundwand) mit thermomechanischer Brücke 7 21 Aufnahmeöffnung (Spundwand)
22 erster Öffnungsabschnitt
23 zweiter Öffnungsabschnitt
30 Verbindungsfläche (Wärmetauscher) mit thermomechanischer Brücke 7 31 Einlass (von Verdampfer Wärmepumpe)
32 Auslass (zu Verdampfer Wärmepumpe)
50 Tragfläche (Verbindungsabschnitt)
51 Auf sitzfl äche (Z entri erab schnitt) 52 Aufsitzfläche (Verbindungsabschnitt)
53 erster Abschnitt (Führungsabschnitt)
54 zweiter Abschnitt (Zentrierabschnitt) 55 dritter Abschnitt (Verbindungsabschnitt)

Claims

Ansprüche
1. Verfahren zur Herstellung eines Wärmeübertragers (1) umfassend einen
Wärmekollektor (2), einen Wärmetauscher (3) und eine dazwischen ausgebildete thermomechanische Brücke (7) aus einem erkalteten Schmelzlot, dadurch gekennzeichnet, dass die thermomechanische Brücke (7) durch dynamisches Fügen erzielt wird, welches die folgenden Schritte umfasst:
A. Positionierung von Wärmekollektor (2) und Wärmetauscher (3) unter Ausbildung eines Spaltes (6) in einem ersten Abstand (VI) zueinander B. Verfüllen des Spaltes (6) mit einem flüssigen Schmelzlot
C. Verkleinerung des Spaltes (6) bis zu einem zweiten Abstand (V2) zwischen Wärmekollektor (2) und Wärmetauscher (3) unter partieller Verdrängung des im Spalt befindlichen Schmelzlotes
D. Abkühlen des flüssigen Schmelzlotes im Spalt (6) bis zur Erstarrung.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spalt (6) unter
Ausnutzung der Schwerkraft (g) und/oder durch Aufbringen einer externen Kraft von dem ersten Abstand (VI) bis zu dem zweiten Abstand (V2) verkleinert wird.
3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfüllen des Spaltes mit einem Schmelzlot in einem Tauchbad (10) erfolgt.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Verkleinern des Spaltes (6) in dem Tauchbad (10) oder nach Entnahme des Wärmeüberträgers (1) aus dem Tauchbad (10) erfolgt.
5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Positionierung von Wärmekollektor (2) und Wärmetauscher (3) über mindestens einen Abstandshalter (5, 5a, 5b, 5c) erfolgt.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine
Abstandshalter (5, 5a, 5b, 5c) mit dem Wärmetauscher (3) vor dem dynamischen Fügen fest, insbesondere stoffschlüssig, verbunden wird.
7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Abstandshalter (5, 5a, 5b, 5c) als Zylinderkörper, insb. als Kreiszylinderbolzen, mit drei sich entlang einer Längsachse (R) erstreckenden Abschnitten (5, 5a, 5b, 5c) mit unterschiedlichen Querschnittsflächen (Dl, D2, D3) ausgebildet ist.
8. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekollektor (2) mindestens eine Aufnahmeöffnung (21, 21a, 21b, 21c) zur Aufnahme des mindestens einen Abstandshalters (5, 5a, 5b, 5c) in wenigstens zwei Positionen (PI, P2) unterschiedlicher Eindringtiefe aufweist, wobei die mindestens eine Aufnahmeöffnung (21, 21a, 21b, 21c) einen ersten Öffnungsabschnitt (22) und einen zweiten Öffnungsabschnitt (23) mit zum ersten bzw. zweiten Abschnitt (53 bzw. 54) des Abstandhalters (5, 5a, 5b, 5c) korrespondierenden
Querschnittsflächen (Dl, D2) aufweist.
9. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstandshalter (5, 5a, 5b, 5c) durch Translation (TI) in der Aufnahmeöffnung (21 , 21a, 21b, 21c) des Wärmekollektors (2) von dem ersten Öffnungs-Abschnitt (22) zu dem zweiten Öffnungs- Ab schnitt (23) seine Anlagefläche mit dem Wärmekollektor von einer Aufsitzfläche (51) des zweiten Abschnitts (54) zu einer Aufsitzfläche (52) des dritten Abschnitts (55) ändert.
10. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Abstand (VI) 5 bis 20mm, insbesondere 7 bis 15mm, beträgt.
11. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Abstand (V2) 5 mm oder weniger beträgt.
12. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmekollektor (2) als Spundwand mit mindestens einer planen Anlagefläche (20) ausgebildet ist.
13. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Wärmetauscher (3) als Rechteckrohr mit mindestens einer planen Anlagefläche (30) zur Anlage an den Wärmekollektor (2) ausgebildet ist.
14. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass (3) im Bereich von einem Einlass (31) und einem Auslass (32) des Wärmetauschers (3) eine Wärmeisolierung (4) angeordnet ist bzw. wird, insbesondere als Rohreinsatz mit einer durchgehenden Öffnung (4').
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Einlass (31) und/oder der Auslass (32) nach dem thermodynamischen Fügen mit einem einen Anschlussflansch aufweisenden Deckel (4“) verschlossen wird.
16. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 3 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmelzlot eine für Feuerverzinken geeignete
Zinklegierung und der Wärmekollektor (2) und der Wärmetauscher (3) aus einer feuerverzinkbaren Stahlsorte gefertigt sind, wobei der Wärmekollektor (2) und der Wärmetauscher (3) durch Eintauchen in das Tauchbad (10) vollständig feuerverzinkt werden.
17. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 5 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass eine Querschnittsfläche (D2) des mindestens einen Abstandshalters (5, 5a, 5b, 5c) so dimensioniert ist, dass die auslegungsbestimmenden Querkräfte zwischen Absorber und Kollektor beim Einbringen des Wärmeübertragers in ein Erdreich die Abschergrenzkraft des
Abstandshalters (5, 5a, 5b, 5c) nicht überschreiten.
18. Verfahren zum Betrieb eines nach einem der vorhergehenden Ansprüche hergestellten Wärmeübertragers (1), dadurch gekennzeichnet, dass als Wärmeübertragungsmittel im Wärmetauscher (3) Wasser, insb. ohne Zusatz von
Additiven, eingesetzt ist.
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