DE2734032A1 - Sonnenwaerme-kollektor und verfahren zu seiner herstellung - Google Patents
Sonnenwaerme-kollektor und verfahren zu seiner herstellungInfo
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Description
Sonnenwärme-Kollektor und Verfahren
zu seiner Herstellung
Die Erfindung betrifft einen Sonnenwärme-Kollektor mit einem aus Aluminium hergestellten Wärme-Kollektorelement, welches
wenigstens auf seiner der Sonne auszusetzenden Oberfläche mit einem solare Wärmeenergie selektiv absorbierenden Überzug
versehen ist. Derartige Wärmekollektoren werden in Systemen
zur Erhitzung von Wasser durch Sonnenenergie benutzt. Die Erfindung bezieht sich ferner auf ein Verfahren zur Herstellung
eines Überzuges für selektive Absorption von solarer Wärmeenergie durch ein Wärme-Kollektorelement aus Aluminium auf
wenigstens der Oberfläche des Elementes, die der Sonne ausgesetzt werden soll, zwecks Verwendung eines derartigen
Kollektorelementes in einem Sonnenwärme-Kollektor.
Der hier und im folgenden benutzte Ausdruck "Aluminium" soll reines Aluminium, technisches Aluminium mit kleinen Anteilen
an Verunreinigungen und Aluminiumlegierungen einschließen.
In neuerer Zeit wird vorhergesagt, daß die Energiequellen der Welt, besonders fossile Brennstoffe in naher Zukunft erschöpft
sein werden. Es wird deshalb viel Aufmerksamkeit auf die Entwicklung neuer Energiequellen als Ersatz für die bisherigen
verwandt, insbesondere solche, die die Umwelt nicht belasten. Ein typisches Beispiel hierfür ist die Sonnenwärmeenergie, die
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sich für eine Vielzahl von Anwendungen eignet, einschließlich Wasserheizungssystemen, Klimaanlagen, Kraftgeneratoren etc.
Diese Anwendungen erfordern den Einsatz von Wärmekollektoren zur Absorption von Sonnenstrahlung. Im Idealfall ist es anzustreben, daß die Oberfläche des Wärme-KolLektorelementes die
solare Wärmeenergie selektiv absorbiert, d.h., daß ihr Absorptionsvermögen (χ für Sonnenstrahlen in Wellenlängen bis
zu etwa 2yCim möglichst nahe bei 1 liegt und das ihr Emmisionsvermögen t für Strahlung von infraroten Wellenlängen über 2/*m
möglichst dicht bei Null liegt.
Ein solcher Wärmekollektor ist erfindungsgemäß dadurch gekennzeichnet, daß der selektiv absorbierende Überzug erhalten
wurde, indem in an sich bekannter Weise auf dem Wärme-Kollektorelement eine Oxidschicht erzeugt und das so
beschichtete Element in einer metallsalzhaltigen Lösung bis zur Abscheidung des Metalls auf bzw. in der Oxidschicht
behandelt wurde.
Der erfindungsgemäße Wärmekollektor hat eine hohe selektive Absorption für solare Engergie und zeichnet sich darüberhinaus durch große Korrosionsbeständigkeit aus.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und den Unteransprüchen.
Die Erfindung ist im nachstehenden anhand der Zeichnung näher erläutert.
Fig. 1 ist eine Vorderansicht eines Wärmekollektors nach der Erfindung,
Fig. 2 ist eine vergrößerte Schnittansicht längs Linie II-II
von Fig. I1 und
Fig, 3 zeigt in einem Schnitt ähnlich Fig. 2 eine abgeänderte Ausführungsform eine Wärme-Kollektorelementes.
Zunächst seien die Fig. 1 und 2 betrachtet· Der dort dargestellte Sonnenwärtnekollektor 1st zur Verwendung In Systemen
für die Erwärmung von Wasser bestimmt und weist ein Wärme-Kollektorelement
2 aus Aluminium auf« Es hat die For« einer
Tafel mit einer Mehrzahl von parallelen» rohrförmigen Bereichen 1, die die Verrohrung fixieren« Letztere besteht aus Kupferleitungen
3, die In die Bereiche 1 eingesetzt bzw· Integral mit
diesen verbunden sind, wobei ihre gegenüberliegenden Enden aus dem Bereich 1 herausragen. Ein rohrförmiger Verteilerkopf 4
ist mit den unteren (Einlaß-) Enden der Leitungen 2 verbunden. An einer Seite des Wärme-Sammelelementes 2 ist das Hauptrohr
des Verteilerkopfes 4 abgeschlossen. Die oberen (Auslaß-) Enden der Leitungen 3 sind mit einem rohrförmigen Sammlerkopf 5 verbunden;
das Hauptrohr dieses Sammlerkopfes 5 ist auf der anderen Seite des Kollektorelementes 2 verschlossen. Die in
die Bereiche 1 eingesetzten und damit verbundenen Kupferleitungen 3 dienen dazu, eine Korrosion des Aluminiumelementes
2 durch das hindurchfließende Wasser zu verhindern. Die
Leitungen 3 können statt aus Kupfer auch aus nicht-rostendem Stahl hergestellt sein.
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Das Wärme-Kollektorelement 2 weist Aluminiumsegmente 6 auf, die durch Strangpressen gebildet worden sind, Seite an Seite
liegen und miteinander verbunden sind. Das extrudierte Segment 6 hat einen geradejdurchlaufenden rohrförmigen Bereich
1 zur Aufnahme der Leitung 3 und einen plattenförmigen Bereich 7, der mit dem rohrförmigen Bereich 1 aus einem Stück besteht·
Der eine Rand 7a des plattenförmigen Bereiches 7 erstreckt sich seitlich in gerader Richtung, während der andere Rand 7b eine
Kante mit U-förmigem Querschnitt aufweist, welche auf den geraden Rand 7a des nichtfolgenden Segmentes 6 passt. Der
plattenförmige Teil 7 wird durch den Bereich 1 geteilt. Die Segmente 6 sind Seite an Seite normal zur Längsrichtung der
Bereiche 1 angeordnet. Das Wärme-Kollektorelement 2 ist mit einem Überzug 8 versehen,'welcher solare Wärmeenergie auf seiner
der Sonne ausgesetzten Oberfläche selektiv absorbiert. Der selektiv absorbierende Überzug 8 ist erhalten worden, indem
die Frontseite des Wärme-Kollektorelementes 2 durch anodische Oxidation mit einer porösen Oxidschicht versehen und das so
beschichtete Element 2 in einem metallsalzhaltigen Elektrolyten behandelt wurde, so daß das Metall in den Poren der
Oxidschicht zur Abscheidung gebracht wurde. Das Metall kann gegebenenfalls auch in Form von oxidiertem Metall abgeschieden
werden. Der hier und in den Patentansprüchen verwendete Ausdruck "Metall" soll also auch oxidiertes Metall einschließen.
Um die anodische Oxidation bequemer durchführen zu können, kann man den selektiv absorbierenden Überzug auf den gesamten
Oberflächen des Wärme-Kollektorelementes ausbilden. Als geeignete Metalle seien Kupfer, Eisen, Kobalt, Nickel und Zinn
genannt.
Fig. 3 zeigt eine modifizierte Ausführungsform des Wärme-Kollektorelementes.
Dieses modifizierte Element trägt das Bezugszeichen 11 und hat die gleiche Struktur wie das Wärme-Kollektorelement
2 mit der Ausnahme, daß der Bereich 12 für die Aufnahme der Leitungen hier die Form einer geradem/erlaufenden
Rille mit kreisbogenförmigem Querschnitt hat und daß es
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2 -
aus stranggepressten Segmenten 13 zusammengesetzt ist, welche dementsprechend einen anderen Querschnitt haben als die
Segmente 6. Im übrigen sind in den Fig. 2 und 3 gleiche Teile mit denselben Bezugszeichen versehen. Vor dem Einfügen in das
Wärme-Kollektorelement 11 wird die Leitung 3 nach diesem Ausführungsbeispiel mit einem hauptsächlich aus Zink bestehenden
Lötmittel überzogen. Die Leitungen 3 werden in die Bereiche 12 von deren offenen Seiten her eingedrückt, und das Ganze wird
anschließend erhitzt, wodurch die Leitungen 3 eine Lötverbindung mit den Innenflächen der Bereiche 12 eingehen.
Anstatt die oberen und unteren Enden der Leitungen 3 durch die Köpfe 4 und 5 zu verbinden., kann man auch auch jeweils zwei
benachbarte Leitungen 3 über einen U-förmigen Krümmer aneinanderschließen, so daß ein Zick-Zack-Kanal für das Wasser entsteht.
Wenn die Bereiche zur Aufnahme der Leitungen die Form einer Rille habeny wie in Fig. 3 gezeigt, läßt sich das Wärme-Kollektorelement
aus einer einzigen Aluminiumfcafel herstellen.
Ferner kann man - wenn die Bereiche zur Aufnahme der Leitungen rillenförmig sind - anstelle einer Mehrzahl von getrennten
Rohren ein einziges zick-zack-förmig verlaufendes Rohr vorsehen, dessen gerade verlaufende Abschnitte parallel im selben
Abstand liegen wie die besagten Bereiche 12. Das tafelförmige
Wärme-Kollektorelement läßt sich nach der in der US-PS 2 690 002 beschriebenen Technik herstellen.
Es folgen einige Beispiele, wie auf üblichen Aluminiumtafeln erfindungsgemäße Überzüge zur selektiven Absorption von Sonnenwärmeenergie
gebildet und auf ihre Selektivität untersucht wurden.
Eine Aluminiumtafel wurde in einer 20 %igen wässrigen Lösung
von Orthophosphorsäure 20 Minuten der anodischen Oxidation
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2 mit Gleichstrom einer Stromdichte von 1,0 A/dm unterworfen, so daß auf der Tafel eine poröse Oxidschicht gebildet wurde.
Die Aluminiumtafel wurde dann 15 Minuten in einer wässrigen Lösung von 30 g/l H3BO3 und 30 g/l NiSO4 · 7H2O bei einer Badtemperatur
von 30° C der Wechselstrom-Elektrolyse unterworfen. Dabei wurde Nickel in den Poren des Oxidüberzuges abgeschieden
und auf der Oberfläche der Aluminiumtafel eine schwarze Schicht gebildet, die sich zur selektiven Absorption von Sonnenwärmeenergie
eignete. Die Untersuchung ergab, daß der Überzug bei 100° C für Sonnenstrahlen ein Absorptionsvermögen« von 0,92 und
ein Emmisionsvermögen ζ von 0,10 hatte, was dem Verhältnis <*/6
= 9,2 entspricht. Dieser Wert zeigt an, daß der Überzug eine hohe selektive Absorption für Sonnenwärmeenergie besitzt.
Eine Aluminiumtafel wurde in einer 15 %igen wässrigen Lösung
von Orthophosphorsäure 15 Minuten mit einem Gleichstrom einer Stromdichte von 1,5 A/dm anodisch oxidiert, so daß auf der
Tafel eine poröse Oxidschicht entstand. Die Aluminiumtafel wurde dann 20 Minuten in einer wässrigen Lösung, die 50 g/l
CoSO4 · 7H2O und 25 g/l H3BO3 enthielt, bei einer Badtemperatur
von 25° C der Wechselstrom-Elektrolyse unterworfen. Dabei schied sich Cobalt in den Poren der Oxidschicht ab, und es
entstand ein schwarzer Überzug auf der Oberfläche der Aluminiumtafel, der Sonnenwärmeenergie selektiv absorbierte.
Der Überzug wurde in der gleichen Weise wie in Beispiel 1 untersucht. Dabei ergab sich, daß er ein Absorptionsvermögen A
von 0,94 und ein Emmisionsvermögen 6 von 0,13 hatte, entsprechend einem Verhältnis o</£ von 7,2. Dieser Wert zeigt an,
daß der Überzug eine hohe selektive Absorption für Sonnenwärmeenergie besitzt.
Eine Aluminiumtafel wurde in einer 15 %igen wässrigen Lösung
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von Schwefelsäure 30 Minuten mit Gleichstrom einer Stromdichte von 1,5 A/dm anodisch oxidiert, wobei sich ein etwa 15 ^*-
dicker poröser Oxidüberzug auf der Tafel bildete. Die Aluminiumtafel wurde anschließend 10 Minuten in einer wässrigen Lösung
mit 30 g/l CuSO4 · 5H3O und 10 g/l H3SO4 bei einer Badtemperatur
von 20° C der Elektrolyse mit Wechselstrom mit einer Strom-
2
dichte von 0,3 A/dm unterworfen. Dabei wurde Kupfer in den Poren der Oxidschicht abgeschieden. Es entstand ein ziegelroter bis schwarzer Überzug auf der Oberfläche der Aluminiumtafel, der Sonnenwärmeenergie selektiv absorbierte. Damit dieser Überzug eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit erhielt, wurde die Tafel noch in üblicher Weise behandelt, um die Poren zu schließen. Die so mit einem selektiv absorbierenden Überzug versehene Aluminiumtafel wurde dann Anfang April der Bestrahlung mit Sonnenlicht ausgesetzt. Ein zur Temperaturmessung an der Rückseite der Tafel angebrachtes Thermoelement ergab als höchste Temperatur 107° C.
dichte von 0,3 A/dm unterworfen. Dabei wurde Kupfer in den Poren der Oxidschicht abgeschieden. Es entstand ein ziegelroter bis schwarzer Überzug auf der Oberfläche der Aluminiumtafel, der Sonnenwärmeenergie selektiv absorbierte. Damit dieser Überzug eine erhöhte Korrosionsbeständigkeit erhielt, wurde die Tafel noch in üblicher Weise behandelt, um die Poren zu schließen. Die so mit einem selektiv absorbierenden Überzug versehene Aluminiumtafel wurde dann Anfang April der Bestrahlung mit Sonnenlicht ausgesetzt. Ein zur Temperaturmessung an der Rückseite der Tafel angebrachtes Thermoelement ergab als höchste Temperatur 107° C.
Zum Vergleich wurde eine Aluminiumtafel nur gemäß dem ersten
Verfahrensschritt mit einer Oxidschicht versehen, und die so
behandelte Tafel wurde in ähnlicher Weise untersucht. Die höchste Temperatur war hier nur 68° C.
In der gleichen Weise wie in Beispiel 3 wurde auf einer
Aluminiumtafel eine poröse Oxidschicht erzeugt. Die Aluminiumtafel wurde dann 10 Minuten in einer wässrigen Lösung mit
20 g/l NiSO4 · 7H2O und 30 g/l H3BO3 bei einer Badtemperatur
von 20 C der Wechselstrom-Elektrolyse unterworfen. Dabei wurde Nickel in den Poren der Oxidschicht abgeschieden. Es
entstand ein bronzefarbener bis schwarzer Überzug auf der Oberfläche der Aluminiumtafel, der Sonnenwärme selektiv absorbierte.
Die Tafel wurde noch einer Behandlung zum Schließen der Poren unterworfen und anschließend in derselben Weise wie
in Beispiel 3 geprüft. Die höchste gemessene Temperatur war
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104° C.
In der gleichen Weise wie in Beispiel 3 wurde ein poröser Oxidüberzug auf einer Aluminiumtafel gebildet. Die Aluminiumtafel
wurde dann 10 Minuten in einer wässrigen Lösung, die 20 g/l (NH4J3SO4, 30 g/l H3BO3, 50 g/l CoSO4 · 7H3O und 25 g/l
NiSO4 · 7H2O enthielt, bei einer Badtemperatür von 20° C der
Wechselstrom-Elektrolyse unterworfen. Dabei schieden sich Kobalt und Nickel in den Poren der Oxidschicht ab. Es entstand
ein dunkelbrauner bis schwarzer Überzug auf der Oberfläche der Aluminiumtafel, der Sonner\wärme selektiv absorbierte. Die
Tafel wurde noch einer Behandlung zum Schließen der Poren unterworfen und in derselben Weise wie in Beispiel 3 getestet.
Die höchste Temperatur war 106° C.
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Leerseite
Claims (16)
- Dlpl.-Chem. F. SchrumpfPatentanwalt In DOranDlpl.-Phye. Dr. W. HäßlerPatentanwalt In LOdenaohaldAnmelder: Showa Aluminium Kabushiki Kaisha 27.7.19 77Osaka/Japan S 97Patentansprüche1,1 Sonnenwärme-Kollektor mit einem aus Aluminium hergestellten Wärme-Kollektorelement, welches wenigstens auf seiner der Sonne auszusetzenden Oberfläche mit einem solare Wärmeenergie selektiv absorbierenden Überzug versehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß der selektiv absorbierende Überzug (8) erhalten wurde, indem in an sich bekannter Weise auf dem Wärme-Kollektorelement (2,11) eine Oxidschicht erzeugt und das so beschichtete Element in einer metallsalzhaltigen Lösung bis zur Abscheidung des Metalls auf bzw. in der Oxidschicht behandelt wurde.
- 2. Wärmekollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Oxidschicht (8) ein poröser, durch anodische Oxidation erhaltener Überzug ist und daß das Metall in den Poren dieses Überzuges abgeschieden ist.
- 3. Kollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärme-Kollektorelement (2,11) eine Mehrzahl von stranggepressten Segmenten (6,13) aufweist, welche Seite an Seite angeordnet und miteinander verbunden sind.
- 4. Wärmekollektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Wärme-Kollektorelement (2,11) die Form einer Tafel hat und eine Mehrzahl von integral angeformten Bereichen (1,12) zur Aufnahme von Leitungen (3) aufweist, wobei in jedem709885/0995 ORIGINAL INSPECTH)dieser Bereiche (1,12) ein Rohr (3) aus Kupfer bzw. rostfreiem Stahl angeordnet ist.
- 5. Wärmekollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (1) zur Aufnahme der Leitungen (3) rohrförmig ausgebildet und die Leitung (3) in diesen rohrförmigen Bereich (1) eingesetzt und innig damit verbunden ist.
- 6. Wärmekollektor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Bereich (12) zur Aufnahme der Leitung (3) die Form einer Rille mit kreisbogenförmigem Querschnitt hat und daß die Leitung (3) schlüssig in diese Rille (12) eingedrückt und damit verlötet ist.
- 7. Verfahren zur Herstellung eines Überzuges für selektive Absorption von solarer Wärmeenergie durch ein Wärme-Kollektorelement aus Aluminium auf wenigstens der Oberfläche des Elementes, die der Sonne ausgesetzt werden soll, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wärme-Kollektorelement(2.11) oxidiert, bis sich darauf ein Oxidüberzug (8) gebildet hat, und das so erhaltene Element in einer Metallsalzlösung behandelt, bis sich das Metall wenigstens auf der Oberfläche des Oxidüberzuges (8) abgeschieden hat.
- 8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wärme-Kollektorelement (2,11) verwendet wird, welches die Form einer Tafel mit einer Mehrzahl von damit aus einem Stück bestehenden, parallelen Bereichen (1,12) zur Aufnahme von Leitungen (3) aufweist, wobei jeder dieser Bereiche(1.12) ein Rohr aus Kupfer oder rostfreiem Stahl enthält.
- 9. Verfahren nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß man das Wärme-Kollektorelement (2,11) zur Bildung eines porösen Oxidüberzuges der anodischen Oxidation unterwirft.709885/0995
- 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die anodische Oxidation mit einer wässrigen Phosphorsäurelösung als Elektrolyten durchgeführt wird.
- 11. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die anodische Oxidation mit einer wässrigen Schwefelsäurelösung als Elektrolyten durchgeführt wird.
- 12. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß man als Metall Kupfer, Eisen, Kobalt, Nickel und/oder Zinn verwendet.
- 13. Verfahren nach einem de^r Ansprüche 7 bis 12, insbesondere 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als metallsalzhaltigen Elektrolyten eine wässrige BorsMurelösung verwendet.
- 14..Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, insbesondere 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als metallsalzhaltigen Elektrolyten eine wässrige Schwefelsäurelösung verwendet.
- 15. Verfahren nach einem der Ansprüche 7 bis 12, insbesondere 9, dadurch gekennzeichnet, daß man als metallsalzhaltigen Elektrolyten eine gemischte wässrige Lösung von Ammoniumsulfat und Borsäure verwendet.
- 16. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß die anodische Oxidation unter Anlegen von Gleichstrom und die Behandlung mit dem metallsalzhaltigen Elektrolyten unter Anlegen von Wechselstrom durchgeführt wird.709885/0996
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