WO2013143521A2 - Verfahren zur herstellung eines niederdruck-dünnwandwärmetauschers und dünnwandwärmetauscher - Google Patents

Verfahren zur herstellung eines niederdruck-dünnwandwärmetauschers und dünnwandwärmetauscher Download PDF

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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a low-pressure thin-wall heat exchanger.
  • EP 1 811 245 A2 discloses a heat exchanger designed as a modular solar collector which is produced in such a way that a first metal sheet into which a duct system has been impressed is connected to a second flat metal sheet. The connection is made by soldering.
  • the present invention has for its object to provide a method for producing a low-pressure thin-wall heat exchanger available, which can be carried out in a particularly cost-effective manner. Furthermore, according to the invention, a low-pressure thin-wall heat exchanger is to be created, which can be produced particularly inexpensively.
  • the present invention relates to a method for manufacturing a thin-wall low pressure heater exchanger, which means that the heat exchanger exclusively for low pressure applications ⁇ , particularly to 2.5 - 3 bar (pressure of the heat exchange medium) thought. Furthermore, the heat exchanger should in particular also be used only for low-temperature applications.
  • the thin-wall heat exchangers in question have the ones used for producing the heat exchanger
  • Cover layers preferably have a thickness between 0.01 and 1.5 mm, wherein in particular a thickness of 0.2 mm applies.
  • a metal layer or Kunststoffläge in particular a metal foil or plastic film is used, but also appropriate metal sheets or thicker plastic layers can be used.
  • a thin material in particular a film material is used, which can be produced rotatively and can be provided, for example, as a metal strip or plastic tape (also as a composite material), can for the preparation of this material find cost-effective manufacturing process application.
  • the metal layer is an aluminum layer, especially one Aluminum strip, preferably with a suitable polymer coating use.
  • a further advantage is the fact that according to the invention either a composite material (metal cover layer with coating of sealable polymer) or a separate layer of a sealable polymer is used, so that a complicated process can be dispensed with in order to obtain a suitable bonding medium, for example a solder plating to apply.
  • the composite material has a coating of a sealable polymer which is applied to one side of the metal layer, for example by lamination, extrusion or as a sealable coating.
  • the sealable polymer serves as a bonding material.
  • the second thin cover layer of metal or plastic may comprise such a coating of a sealable polymer.
  • the metal or plastic sheet is preferably provided with a primer in order to establish a connection with the sealable polymer of the other top layer or with the separate layer of the sealable polymer can .
  • a primer in order to establish a connection with the sealable polymer of the other top layer or with the separate layer of the sealable polymer can .
  • a cover layer provided with a coating of a sealable polymer is coated with a cover layer
  • Primer without polymer coating provided second liner sealed.
  • primers in particular primers for metal layers, especially aluminum layers, are known to the person skilled in the art. This may be, for example, paint systems based on epoxy, PU or acrylic. Such primers can also be used if the second cover layer is one made of a suitable plastic.
  • cover layers made of metal, in particular aluminum for the method according to the invention, it is ensured that the cover layer has sufficient tightness with respect to the heat exchange medium. If a cover layer made of plastic is used, such a plastic layer is preferably provided with an additional barrier layer in order in this way to ensure the required tightness.
  • a cover layer of metal use to ensure good heat transfer.
  • the metal layer is put into a sealable state, either by bring the coating of a sealable polymer or by arranging a separate from the metal layer La ge of a sealable polymer. If the two cover layers are sealed to each other via a separate layer of a sealable polymer, untreated cover layers, primed cover layers or cover layers provided with a layer of a sealable polymer can be used. Even when the composite cover layers are produced, untreated or primed cover layers can be used.
  • the two cover layers can only be sealed to one another at the edge so that a hollow space suitable for an areal throughput of the heat exchange medium results.
  • the two cover layers are sealed together so that there is a channel system for the flow rate of the heat exchange medium.
  • Corresponding intermediate forms by arrangement of webs, ribs, etc. Kings nen also be readily prepared by the method according to the invention.
  • a separate layer of a sealable polymer this is placed between the two cover layers and sealed with them. It will find a sealable polymer interlayer corresponding to the shape of a cavity or the channel system.
  • the polymer liner can be punched out so that the ge formed cavities the cavity or the channel system for form the heat exchange medium.
  • the corresponding cavities can also be produced by other methods, for example mechanical or chemical separation methods, such as etching, screen printing, etc.
  • a cavity or channel system for the flow rate of the heat exchange medium is impressed in at least one cover layer prior to sealing.
  • a second polymer-coated cover layer can be used which is planar, or one in which a cavity or a channel system is also embossed.
  • the embossed channels of the two cover layers together form a two-sided channel system for the throughput of a heat exchange medium after the connection.
  • the two cover layers are sealed together to form a through-flow cavity or channel system, and the cavity or channel system is expanded by pressure application.
  • the sealing takes place in a special pattern, wherein the non-sealed areas form the cavity or the channel system for the heat exchange medium. These areas are then inflated, for example via a suitable gas (air), so that they can then be traversed by the heat exchange medium.
  • the heat exchange medium itself can also be here be used to widen the cavity or channel system.
  • the cavity or the channel system is provided with connecting elements during or after the sealing.
  • connecting elements may be, for example, connecting elements that consist of a material that can be sealed or tightly clamped with the polymer coating of the metal layers.
  • a connection element may be, for example, a polymer tube, a polymer tube, etc.
  • the seal is preferably carried out as an ultrasonic seal.
  • the cover layers and / or the intermediate layer can be particularly easily connected to each other, wherein in particular a simple manner corresponding sealing pattern for channel systems, cavities can be produced.
  • Heat sealing methods, laser welding or other sealing methods may also be used.
  • the sealable coating or the separate sealable layer comprises a sealable polymer, which may preferably be polypropylene, polyamide, PC or combinations (coextrusion).
  • the polymer coating is preferably applied in a thickness of 0.01-0.3 mm. A corresponding thickness has the separate sealable layer.
  • at least one cover layer is applied to one side or at least provide the sides with a protective layer, for example, to improve corrosion resistance.
  • This protective layer may be, for example, a lacquer or an anodized layer.
  • the applied coating or layer separate from the heat-sealable polymer may be further provided with additives, wherein ⁇ play CNT (Carbon Nano Tubes), in order to improve the thermal conductivity.
  • ⁇ play CNT Carbon Nano Tubes
  • Sealing may be accomplished by sealing the entire area outside the cavity or channel system, or by using only a portion of the area for sealing. In this case, for example, corresponding sealing seams in different widths and structures / profiles can be performed.
  • the present invention further relates to a low-pressure thin-wall heat exchanger having a first thin cover layer of metal, a second thin cover layer of metal or plastic and a bonding layer between the two cover layers of a sealable polymer, wherein formed between the cover layers, a cavity or a channel system for a heat exchange medium is.
  • the metal cover layer preferably consists of aluminum or comprises an aluminum layer.
  • the connecting layer between the two cover layers is formed either from a separate layer of the two cover layers of a sealable polymer or from at least one coating of the first or second cover layer.
  • the connecting layer is formed so that the heat exchanger between the cover layers has a cavity or a channel system for a heat exchange medium.
  • a cavity a larger space is considered here, for example, a central cavity, in which the connecting layer is located only in the edge region of the heat exchanger.
  • Corresponding duct systems may comprise any desired flow paths for a heat exchange medium, for example those which are meander-shaped.
  • connecting layer does not only mean a two-dimensional connection, but is also intended to mean linear connection areas in the form of connecting seams
  • the invention relates both to thin-walled heat exchangers in which the two cover layers are connected to one another via areal connection areas, as well as to such Heat exchangers in which the connection is made via linear connection areas in the form of connecting seams.
  • At least one cover layer has an embossed cavity or an embossed channel system.
  • the other cover layer may in this case be formed so that a one-sided cavity or a one-sided channel system results, or both cover layers may have an embossed cavity or an embossed channel system, so that after sealing results in a double-sided cavity or a double-sided channel system.
  • Both cover layers are sealed together at their contact points either over the entire contact areas or over a part thereof.
  • the connecting layer is provided to form a cavity or a channel system between the cover layers.
  • an intermediate layer of a sealable polymer is used, which is already provided with a cavity or a channel system before sealing. The intermediate layer therefore predetermines the cavity or the channel system which can be stamped into the intermediate layer, for example.
  • the cavity or channel system is formed by expansion by pressurization.
  • the basic shape of the cavity or channel system specified the or receives its final shape by expanding or inflating. Since the heat exchanger is correspondingly flexible, this embodiment can be readily produced, either by pressurization with a special expansion medium (air) or by pressurization with the heat exchange medium itself (with or without form).
  • the inventively embodied heat exchanger has a simple structure and can be produced inexpensively, as discussed above.
  • metal layers come forward preferably metal foils but also metal sheets, in particular aluminum foils or aluminum sheets, for use, wherein a metal layer in a thickness range between 0.05 - 1.5 mm is preferred.
  • the heat exchanger produced is correspondingly flexible and can be used for applications in which such flexibility is required.
  • the heat exchanger preferably has connection elements for the cavity or the channel system, for example, poly hoses or polymer tubes, which surfaces of the cavity or channel system in particular mechanically jammed or welded to the Anschlußberei.
  • the inventively embodied heat exchanger can be used in many ways, especially for low pressure applications in which the heat exchange medium is under a pressure up to 2.5 - 3 bar and preferably has a correspondingly low temperature. It preferably has two cover layers made of metal, which can be produced as thin materials, preferably in the form of a composite material rotationally and this need no additional connection medium. It can thus be realized a cost-effective manufacturing process. On the other hand, high thermal conductivity values can be achieved by the metallic cover layers.
  • the inventively constructed heat exchanger can be used, for example, by clamping, sealing or gluing behind photovoltaic modules, used as heat exchangers in heat accumulators, in air conditioning ceilings / -. be used in buildings or technical equipment, be used in electronic devices for board cooling etc.
  • the heat exchanger forms part of a photovoltaic module and is arranged under its backsheet for heat recovery.
  • Figure 2 is a plan view of a first embodiment of a low pressure thin wall heat exchanger
  • Figure 3 is a plan view of a second embodiment of a low pressure thin wall heat exchanger
  • Figure 4 is a vertical section through a low-pressure thin-wall heat exchanger with one-sided embossing
  • Figure 5 is a vertical section through a low-pressure thin-wall heat exchanger with double-sided embossing
  • Figure 6 is a schematic vertical section through a photovoltaic module
  • Figure 7 is a vertical section through a thin-wall heat exchanger before and after the expansion.
  • FIG. 1 shows a vertical section through a coated metal layer which is used to produce a low-pressure thin-wall heat exchanger or a film heat exchanger.
  • the coated metal layer is composed of a middle aluminum layer 1, which for example has a thickness of 0.2 mm, a polymer coating 2 and a protective lacquer layer 3 together.
  • the protective lacquer layer 3 forms the outside of the layer, while the polymer coating 2 forms the inside.
  • the polymer coating 2 is a layer of polyamide, which has been applied to the aluminum layer 1 by lamination.
  • the polymer coating 2 is thus a sealable polymer layer that can be sealed with another polymer coating.
  • Figures 4 and 5 show in vertical section two embodiments of low-pressure thin-wall heat exchangers, each composed of two layers of material according to Figure 1 set.
  • a smooth or even material layer 10 is used, which is connected to an embossed material layer 11.
  • the layer 11 has an embossed channel system 5 for a heat exchange medium.
  • the two layers 10, 11 are over their polymer coating sealed together, for example via an ultrasonic seal.
  • FIG. 5 shows an embodiment in which both layers 11 have an embossed channel system 5. Both systems form a complete system after sealing.
  • FIGS. 2 and 3 show two embodiments of low-pressure thin-wall heat exchangers with different embossed channel systems 5.
  • FIG. 2 shows a meander-shaped channel system 5, the regions outside the channel system 5 forming sealing regions 4.
  • connection elements 7 are connected in the form of polymer tubes, for example by welding with the aid of a further sealing medium. 6
  • Figure 3 shows an embodiment of a heat exchanger in which the channel system 5 is formed differently. Here, too, the corresponding seal areas are marked with 4. Suitable connection elements 7 are provided.
  • FIG. 6 shows a schematic vertical section through a photovoltaic module, which is composed of a cover layer 20, a bedding layer 21, in which the photocells are embedded, and a backsheet 22. Below the backsheet 22 is arranged as a further layer 23, a low-pressure thin-wall heat exchanger of the type described here, which is used for heat recovery, wherein the recovered heat can be dissipated via the heat exchanger flowing through heat exchange medium.
  • the dertik- thin wall heat exchanger is glued, for example, with the backsheet of the photovoltaic module.
  • FIG. 7 shows an embodiment of a low-pressure thin-walled heat exchanger which obtains its final shape by widening.
  • the heat exchanger is manufactured by sealing the two cover layers, so that a channel system is obtained, as shown in the upper figure of Figure 7. Thereafter, the channel system is expanded by pressurization (compressed air), resulting in the consistent final shape shown in Figure 7 below.
  • the channel system can then be traversed by a suitable heat exchange medium.

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Description

Verfahren zur Herstellung eines Niederdruck- Dünnwandwärmetauschers und Dünnwandwärmetauscher
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Niederdruck- Dünnwandwärmetauschers.
Es ist bekannt, Wärmetauscher herzustellen, indem zwei Me- talllagen, von denen mindestens eine ein eingeprägtes Kanalsystem für ein Wärmeaustauschmedium aufweist, miteinander verbunden werden. So ist beispielsweise aus der EP 1 811 245 A2 ein als modularer Sonnenkollektor ausgebildeter Wärmetauscher bekannt, der so hergestellt wird, dass ein erstes Metallblech, in das ein Kanalsystem eingeprägt wurde, mit einem zweiten ebenen Metallblech verbunden wird. Die Verbindung erfolgt hierbei durch Verlöten.
Aus der EP 0 286 399 Bl ist ein Verfahren zur Herstellung eines Wärmetauschers bekannt, bei dem Tafeln aus einem geeigneten Polymermaterial, in die ein entsprechendes Kanalsystem für einen Fluiddurchgang eingeprägt ist, durch Verklebung oder Schweißen mittels Heißsiegeln miteinander verbunden werden. Bei dem zuletzt genannten Verfahren werden daher Lagen aus Kunststoff miteinander verbunden. Bei dem zuerst genannten Verfahren werden Metalllagen durch Aufbringungen einer Lot- plattierung und ein Lötverfahren miteinander verbunden. Dieses Verfahren ist aufwändig und teuer. Bei dem an zweiter Stelle genannten Verfahren findet keine Metalllage Verwendung .
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Herstellung eines Niederdruck- Dünnwandwärmetauschers zur Verfügung zu stellen, das sich auf besonders kostengünstige Weise durchführen lässt. Ferner soll erfindungsgemäß ein Niederdruck- Dünnwandwärmetauscher geschaffen werden, der besonders kostengünstig hergestellt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren zur Herstellung eines Niederdruck- Dünnwandwärmetauschers gelöst, das die folgenden Schritte umfasst:
Bereitstellen einer dünnen Metalldecklage;
Bereitstellen einer dünnen Lage aus einem siegelfähigen Polymer durch Aufbringen einer Beschichtung auf eine Seite der Metalldecklage und/oder in Form einer von der Metalldecklage getrennten Lage;
Bereitstellen einer zweiten dünnen Decklage aus Metall oder Kunststoff; und Versiegeln der beiden Decklagen miteinander mit Hilfe der dazwischen angeordneten Lage aus dem siegelfähigen Polymer unter Bildung eines zum Durchsatz eines Wärmeaustauschmedi¬ ums geeigneten Hohlraumes.
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Niederdruck- Dünnwandwärmertauschers , was bedeutet, dass der Wärmetauscher ausschließlich für Nieder¬ druckanwendungen, insbesondere bis 2,5 - 3 bar (Druck des Wärmeaustauschmediums), gedacht ist. Ferner soll der Wärmetauscher insbesondere auch nur für Niedrigtemperaturanwen- dungsfälle eingesetzt werden.
Bei dem hier in Rede stehenden Dünnwandwärmetauscher besit- zen die zur Herstellung des Wärmetauschers eingesetzten
Decklagen vorzugsweise eine Dicke zwischen 0,01 und 1,5 mm, wobei insbesondere eine Dicke von 0,2 mm Anwendung findet. Als Metalllage oder Kunststoffläge wird insbesondere eine Metallfolie oder Kunststofffolie eingesetzt, wobei aber auch entsprechende Metallbleche oder dickere Kunststofflagen Anwendung finden können.
Da bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Wärmetauschers ein dünnes Material, insbesondere ein Fo- lienmaterial, Verwendung findet, das rotativ hergestellt werden kann und beispielsweise als Metallband oder Kunststoffband zu Verfügung gestellt werden kann (auch als Verbundmaterial) , kann zur Herstellung dieses Materials ein kostengünstiger Herstellprozess Anwendung finden. Insbeson- dere findet als Metalllage eine Aluminiumlage, speziell ein Aluminiumband, vorzugsweise mit einer geeigneten Polymerbe- schichtung Verwendung.
Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass erfindungsge- maß entweder ein Verbundmaterial (Metalldecklage mit Be- schichtung aus siegelfähigem Polymer) oder eine getrennte Lage aus einem siegelfähigen Polymer Verwendung findet, so dass ein aufwendiges Verfahren entfallen kann, um ein geeignetes Verbindungsmedium, beispielsweise eine Lotplattie- rung, aufzubringen. Das Verbundmaterial besitzt eine Be- schichtung aus einem siegelfähigen Polymer, die auf eine Seite der Metalllage aufgebracht wird, beispielsweise durch Kaschierung, Extrusion oder als siegelfähige Lackierung. Das siegelfähige Polymer dient als Verbindungsmaterial. Auch die zweite dünne Decklage aus Metall oder Kunststoff kann eine derartige Beschichtung aus einem siegelfähigen Polymer aufweisen. Sie kann aber auch ohne Beschichtung für das erfindungsgemäße Verfahren eingesetzt werden, wobei in diesem Falle die Metall- oder Kunststoffläge vorzugsweise mit einem Primer versehen ist, um mit dem siegelfähigen Polymer der anderen Decklage oder mit der getrennten Lage aus dem siegelfähigen Polymer eine Verbindung herstellen zu können . Erfindungsgemäß wird somit sowohl eine einfache und kostengünstige Aufbringung des Verbindungsmaterials als auch eine einfache und kostengünstige Verbindungsmethode verwirklicht, was durch einen entsprechenden Siegelvorgang realisiert werden kann. Bei einer speziellen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens werden zwei Decklagen verwendet, die jeweils mit einer Beschichtung aus einem siegelfähigen Polymer versehen und miteinander versiegelt werden. Es versteht sich, dass die Versiegelung unter Bildung eines zum Durchsatz eines Wärmeaustauschmediums geeigneten Hohlraumes erfolgt.
Bei einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine mit einer Beschichtung aus einem sie- gelfähigen Polymer versehene Decklage mit einer mit einem
Primer ohne Polymerbeschichtung versehenen zweiten Decklage versiegelt. Derartige Primer, insbesondere Primer für Metalllagen, speziell Aluminiumlagen, sind dem Fachmann bekannt. Es kann sich hierbei beispielsweise um Lacksysteme auf Epoxi-, PU- oder Acryl-Basis, handeln. Derartige Primer können auch dann eingesetzt werden, wenn als zweite Decklage eine solche aus einem geeigneten Kunststoff Verwendung findet. Bei Verwendung von Decklagen aus Metall, insbesondere Aluminium, für das erfindungsgemäße Verfahren ist si- chergestellt, dass die Decklage eine ausreichende Dichtigkeit in Bezug auf das Wärmeaustauschmedium besitzen. Findet eine Decklage aus Kunststoff Verwendung, wird vorzugsweise eine solche Kunststoffläge mit einer zusätzlichen Barriereschicht versehen, um auf diese Weise für die geforderte Dichtigkeit zu sorgen.
In jedem Falle soll bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung des Dünnwandwärmetauschers eine Decklage aus Metall Verwendung finden, um für einen guten Wärmeübergang zu sorgen. Erfindungsgemäß wird hierbei die Metalllage in einen siegelfähigen Zustand versetzt, entweder durch Auf- bringen der Beschichtung aus einem siegelfähigen Polymer oder durch Anordnen einer von der Metalllage getrennten La ge aus einem siegelfähigen Polymer. Wenn die beiden Decklagen über eine hiervon getrennte Zwischenlage aus einem siegelfähigen Polymer miteinander versiegelt werden, können unbehandelte Decklagen, geprimerte Decklagen oder mit einer Schicht aus einem siegelfähigen Polymer versehene Decklagen Verwendung finden. Auch bei de Herstellung der Verbunddecklagen können unbehandelte oder geprimerte Decklagen Verwendung finden.
Was die Form bzw. Konstruktion des Dünnwandwärmetauschers anbetrifft, so können bei einer ersten Ausführungsform die beiden Decklagen nur am Rand miteinander versiegelt werden so dass sich ein für einen flächigen Durchsatz des Wärmeaustauschmediums geeigneter Hohlraum ergibt. Bei einer anderen Ausführungsform werden die beiden Decklagen so miteinander versiegelt, dass sich ein Kanalsystem für den Durchsatz des Wärmeaustauschmediums ergibt. Entsprechende Zwischenformen durch Anordnung von Stegen, Rippen etc. kön nen ebenfalls ohne Weiteres mit dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellt werden. Bei Verwendung einer getrennten Lage aus einem siegelfähigen Polymer wird diese zwischen den beiden Decklagen angeordnet und mit diesen versiegelt. Es findet dabei eine der Form eines Hohlraumes oder des Kanalsystems entsprechende siegelfähige Polymerzwischenlage Verwendung. Die Polymer- zwischenlage kann dabei so ausgestanzt werden, dass die ge bildeten Hohlräume den Hohlraum oder das Kanalsystem für das Wärmeaustauschmedium bilden. Natürlich können die entsprechenden Hohlräume auch durch andere Verfahren hergestellt werden, beispielsweise mechanische oder chemische Trennverfahren, wie Ätzen, Siebdruck etc.
Bei noch einer anderen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird in mindestens eine Decklage vor dem Versiegeln ein Hohlraum oder ein Kanalsystem für den Durchsatz des Wärmeaustauschmediums eingeprägt. Bei dieser Verfahrensvariante, bei der ein Hohlraum bzw. ein Kanalsystem durch mechanisches Einprägen hergestellt wird, kann eine zweite polymerbeschichtete Decklage Verwendung finden, die eben ausgebildet, oder eine solche, in die ebenfalls ein Hohlraum oder ein Kanalsystem eingeprägt ist. Bei der zuletzt genannten Ausführungsform bilden daher die eingeprägten Kanäle der beiden Decklagen nach dem Verbinden zusammen ein beidseitiges Kanalsystem für den Durchsatz eines Wärmeaustauschmediums .
Bei einer anderen Ausführungsform werden die beiden Decklagen zur Ausbildung eines Hohlraumes für einen flächigen Durchsatz oder eines Kanalsystems miteinander versiegelt und wird der Hohlraum oder das Kanalsystem durch Druckaufbringung aufgeweitet. Hierbei erfolgt die Versiegelung in einem speziellen Muster, wobei die nicht versiegelten Bereiche den Hohlraum bzw. das Kanalsystem für das Wärmeaustauschmedium bilden. Diese Bereiche werden dann beispielsweise über ein geeignetes Gas (Luft) aufgeblasen, so dass sie dann vom Wärmeaustauschmedium durchflössen werden können. Das Wärmeaustauschmedium selbst kann hierbei ebenfalls zur Aufweitung des Hohlraumes bzw. Kanalsystems eingesetzt werden.
In Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird der Hohlraum oder das Kanalsystem bei oder nach dem Versiegeln mit Anschlusselementen versehen. Hier kann es sich beispielsweise um Anschlusselemente handeln, die aus einem Werkstoff bestehen, der mit der Polymerbeschichtung der Metalllagen versiegelt oder dicht verklemmt werden kann. Bei einem solchen Anschlusselement kann es sich beispielsweise um einen Polymerschlauch, ein Polymerrohr etc. handeln.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Versiegelung vorzugsweise als Ultraschallversiegelung durchgeführt. Auf diese Weise lassen sich die Decklagen und/oder die Zwischenlage besonders einfach miteinander verbinden, wobei insbesondere auf einfache Weise entsprechende Versiegelungsmuster für Kanalsysteme, Hohlräume hergestellt werden können. Heißsiegelverfahren, Laserschweißverfahren oder an- dere Siegelverfahren können ebenfalls Anwendung finden.
Die siegelfähige Beschichtung oder die getrennte siegelfähige Lage weist ein siegelfähiges Polymer auf, bei dem es sich vorzugsweise um Polypropylen, Polyamid, PC oder Kombi- nationen (Coextrusion) handeln kann. Die Polymerbeschichtung wird vorzugsweise in einer Dicke von 0,01 - 0,3 mm aufgebracht. Eine entsprechende Dicke besitzt die getrennte siegelfähige Lage. Bei noch einer bevorzugten Ausführungsform des Verfahrens wird mindestens eine Decklage auf einer Seite oder auf bei- den Seiten mit einer Schutzschicht versehen, um beispielsweise die Korrosionsbeständigkeit zu verbessern. Bei dieser Schutzschicht kann es sich beispielsweise um eine Lackierung oder um eine Eloxalschicht handeln.
Die aufgebrachte Beschichtung oder die getrennte Lage aus dem siegelfähigen Polymer kann ferner mit Additiven, bei¬ spielsweise CNT (Carbonnanotubes) versehen werden, um die Wärmeleitfähigkeit zu verbessern.
Das Versiegeln kann durchgeführt werden, indem der gesamte Bereich außerhalb des Hohlraumes bzw. Kanalsystems versiegelt oder nur ein Teil des Bereiches zur Versiegelung eingesetzt wird. Hierbei können beispielsweise entsprechende Siegelnähte in unterschiedlichen Breiten und Strukturen/Profilierungen ausgeführt werden.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner einen Niederdruck- Dünnwandwärmetauscher mit einer ersten dünnen Decklage aus Metall, einer zweiten dünnen Decklage aus Metall oder Kunststoff und einer Verbindungsschicht zwischen den beiden Decklagen aus einem siegelfähigen Polymer, wobei zwischen den Decklagen ein Hohlraum oder ein Kanalsystem für ein Wärmeaustauschmedium ausgebildet ist.
Vorzugsweise besteht die Metalldecklage aus Aluminium oder umfasst eine Aluminiumschicht. Die Verbindungsschicht zwischen den beiden Decklagen ist entweder aus einer von den beiden Decklagen getrennten Zwischenlage aus einem siegelfähigen Polymer oder aus mindestens einer Beschichtung der ersten oder zweiten Decklage gebildet. Die Verbindungsschicht ist so ausgebildet, dass der Wärmetauscher zwischen den Decklagen einen Hohlraum oder ein Kanalsystem für ein Wärmeaustauschmedium aufweist. Als Hohlraum wird hier ein größerer Freiraum angesehen, beispielsweise ein zentraler Hohlraum, bei dem sich die Verbindungsschicht nur im Randbereich des Wärmetauschers befindet. Entsprechende Kanalsysteme können beliebig gestaltete Strömungswege für ein Wärmeaustauschmedium umfassen, beispielsweise solche, die mäanderförmig ausgebildet sind.
Mit dem Begriff „Verbindungsschicht" ist hier nicht ausschließlich eine flächige Verbindung gemeint, sondern unter diesen Begriff sollen auch lineare Verbindungsbereiche in Form von Verbindungsnähten fallen. Die Erfindung betrifft sowohl Dünnwandwärmetauscher, bei denen die beiden Decklagen über flächige Verbindungsbereiche miteinander verbunden sind, als auch solche Wärmetauscher, bei denen die Verbindung über lineare Verbindungsbereiche in der Form von Verbindungsnähten erfolgt.
Bei einer speziellen Ausführungsform besitzt mindestens eine Decklage einen eingeprägten Hohlraum oder ein eingeprägtes Kanalsystem. Die andere Decklage kann hierbei eben ausgebildet sein, so dass sich ein einseitiger Hohlraum oder ein einseitiges Kanalsystem ergibt, oder beide Decklagen können einen eingeprägten Hohlraum oder ein eingeprägtes Kanalsystem besitzen, so dass sich nach dem Versiegeln ein beidseitiger Hohlraum oder ein beidseitiges Kanalsystem ergibt. Beide Decklagen sind an ihren Kontaktstellen entweder über die gesamten Kontaktbereiche oder über einen Teil hiervon miteinander versiegelt. Die Verbindungsschicht, über die die beiden Decklagen miteinander versiegelt sind, erstreckt sich hierbei über die Kontaktbereiche oder einen Teil hiervon. Wenn die Verbindungsschicht von einer Poly- merbeschichtung gebildet wird, die sich über die gesamte Fläche der Decklage erstreckt, bilden nur die Kontaktbereiche dieser Schicht die Verbindungsschicht.
Bei einer weiteren Ausführungsform ist die Verbindungsschicht unter Ausbildung eines Hohlraumes oder eines Kanalsystems zwischen den Decklagen vorgesehen. Hierbei findet eine Zwischenlage aus einem siegelfähigen Polymer Verwendung, die vor dem Versiegeln bereits mit einem Hohlraum oder einem Kanalsystem versehen wird. Die Zwischenlage gibt daher den Hohlraum bzw. das Kanalsystem vor, der bzw. das beispielsweise in die Zwischenlage eingestanzt sein kann.
Bei noch einer anderen Ausführungsform ist der Hohlraum oder das Kanalsystem durch Aufweitung mittels Druckbeaufschlagung gebildet. Hierbei wird beispielsweise durch die Art der Versiegelung in einem bestimmten Muster die Grundform des Hohlraumes oder Kanalsystems vorgegeben, der bzw. das danach durch Aufweiten bzw. Aufblasen seine endgültige Form erhält. Da der Wärmetauscher entsprechend flexibel ist, lässt sich diese Ausgestaltung ohne weiteres herstellen, entweder durch Druckbeaufschlagung mit einem speziellen Aufweitungsmedium (Luft) oder durch Druckbeaufschlagung mit dem Wärmeaustauschmedium selbst (mit oder ohne Form).
Der erfindungsgemäß ausgebildete Wärmetauscher weist einen einfachen Aufbau auf und lässt sich kostengünstig herstellen, wie vorstehend erörtert. Als Metalllagen kommen vor- zugsweise Metallfolien aber auch Metallbleche, insbesondere Aluminiumfolien oder Aluminiumbleche, zur Anwendung, wobei eine Metalllage in einem Dickenbereich zwischen 0,05 - 1,5 mm bevorzugt wird. Je nach Dicke des verwendeten Materials ist daher der hergestellte Wärmetauscher entsprechend flexibel und kann für Anwendungsfälle eingesetzt werden, bei denen eine derartige Flexibilität erforderlich ist.
Der Wärmetauscher weist vorzugsweise Anschlusselemente für den Hohlraum oder das Kanalsystem auf, beispielsweise Poly merschläuche oder Polymerrohre, die mit den Anschlussberei chen des Hohlraums bzw. Kanalsystems insbesondere mechanisch verklemmt oder verschweißt sind. Der erfindungsgemäß ausgebildete Wärmetauscher kann vielseitig eingesetzt werden, speziell für Niederdruckanwendungen, bei denen das Wärmeaustauschmedium unter einem Druck bis zu 2,5 - 3 bar steht und vorzugsweise eine entsprechend niedrige Temperatur aufweist. Er besitzt vorzugsweise zwei Decklagen aus Metall, die als dünne Materialien vorzugsweise in der Form eines Verbundwerkstoffes rotativ hergestellt werden können und hierbei kein zusätzliches Verbindungsmedium benötigen. Es kann somit ein kostengünstiger Herstell- prozess realisiert werden. Andererseits können durch die metallischen Decklagen hohe Wärmeleitfähigkeitswerte erzielt werden.
Der erfindungsgemäß ausgebildete Wärmetauscher kann beispielsweise durch Klemmen, Einsiegeln oder Kleben hinter Photovoltaikmodulen eingesetzt werden, als Wärmetauscher in Wärmespeichern verwendet werden, in Klimatisierungsdecken/- böden bei Gebäuden oder technischen Geräten verwendet werden, in Elektronikgeräten zur Platinenkühlung benutzt werden etc. Bei einem bevorzugten Anwendungsfall bildet der Wärmetauscher einen Teil eines Photovoltaikmoduls und ist unter dessen Backsheet zur Wärmerückgewinnung angeordnet.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
Figur 1 einen Vertikalschnitt durch eine beschichtete Metalllage für einen Niederdruck-
Dünnwandwärmetauscher;
Figur 2 eine Draufsicht auf eine erste Ausführungsform eines Niederdruck- Dünnwandwärmetauschers;
Figur 3 eine Draufsicht auf eine zweite Ausführungsform eines Niederdruck- Dünnwandwärmetauschers;
Figur 4 einen Vertikalschnitt durch einen Niederdruck- Dünnwandwärmetauscher mit einseitiger Prägung;
Figur 5 einen Vertikalschnitt durch einen Niederdruck- Dünnwandwärmetauscher mit beidseitiger Prägung;
Figur 6 einen schematischen Vertikalschnitt durch ein Photovoltaikmodul ; und
Figur 7 einen Vertikalschnitt durch einen Dünnwandwärmetauscher vor und nach dem Aufweiten.
Figur 1 zeigt einen Vertikalschnitt durch eine beschichtete Metalllage, die zur Herstellung eines Niederdruck- Dünnwandwärmetauschers oder Folienwärmetauschers Verwendung findet. Die beschichtete Metalllage setzt sich aus einer mittleren Aluminiumschicht 1, die beispielsweise eine Dicke von 0,2 mm besitzt, einer Polymerbeschichtung 2 und einer Schutzlackschicht 3 zusammen. Die Schutzlackschicht 3 bildet hierbei die Außenseite der Lage, während die Polymerbe- Schichtung 2 die Innenseite bildet. Bei der Polymerbeschichtung 2 handelt es sich eine Schicht aus Polyamid, die durch Kaschierung auf die Aluminiumschicht 1 aufgebracht worden ist. Bei der Polymerbeschichtung 2 handelt es sich somit um eine siegelfähige Polymerschicht, die mit einer anderen Polymerbeschichtung versiegelt werden kann.
Die Figuren 4 und 5 zeigen im Vertikalschnitt zwei Ausführungsformen von Niederdruck- Dünnwandwärmetauschern, die sich jeweils aus zwei Materiallagen gemäß Figur 1 zusammen- setzen. Bei der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform findet eine glatte bzw. ebene Materiallage 10 Verwendung, die mit einer geprägten Materiallage 11 verbunden ist. Die Lage 11 weist ein eingeprägtes Kanalsystem 5 für ein Wärmeaustauschmedium auf. In den mit 4 gekennzeichneten Bereichen sind die beiden Lagen 10, 11 über ihre Polymerbeschichtung miteinander versiegelt, beispielsweise über eine UltraschallVersiegelung.
Figur 5 zeigt eine Ausführungsform, bei der beide Lagen 11 ein eingeprägtes Kanalsystem 5 aufweisen. Beide Systeme bilden nach dem Versiegeln ein Gesamtsystem.
Die Figuren 2 und 3 zeigen zwei Ausführungsformen von Niederdruck- Dünnwandwärmetauschern mit unterschiedlichen ein- geprägten Kanalsystemen 5. Figur 2 zeigt ein mäanderförmi- ges Kanalsystem 5, wobei die Bereiche außerhalb des Kanalsystems 5 Siegelbereiche 4 bilden. An das Kanalsystem 5 sind entsprechende Anschlusselemente 7 in Form von Polymerschläuchen angeschlossen, beispielsweise durch Verschweißen mit Hilfe eines weiteren Siegelmediums 6.
Figur 3 zeigt eine Ausführungsform eines Wärmetauschers, bei der das Kanalsystem 5 anders ausgebildet ist. Auch hier sind die entsprechenden Siegelbereiche mit 4 gekennzeich- net . Geeignete Anschlusselemente 7 sind vorgesehen.
Figur 6 zeigt einen schematischen Vertikalschnitt durch ein Photovoltaikmodul , das sich aus einer Deckschicht 20, einer Bettungsschicht 21, in die die Photozellen eingebettet sind, und einem Backsheet 22 zusammensetzt. Unterhalb des Backsheets 22 ist als weitere Schicht 23 ein Niederdruck- Dünnwandwärmetauscher der hier beschriebenen Art angeordnet, der zur Wärmerückgewinnung eingesetzt wird, wobei die rückgewonnene Wärme über das den Wärmetauscher durchströ- mende Wärmeaustauschmedium abgeführt werden kann. Der Nie- derdruck- Dünnwandwärmetauscher ist beispielsweise mit dem Backsheet des Photovoltaikmoduls verklebt.
Figur 7 zeigt eine Ausführungsform eines Niederdruck- Dünn- wandwärmetauschers, der durch Aufweiten seine Endform erhält. Der Wärmetauscher wird durch Versiegeln der beiden Decklagen gefertigt, so dass ein Kanalsystem erhalten wird, wie in der oberen Abbildung von Figur 7 gezeigt. Danach wird das Kanalsystem durch Druckbeaufschlagung (Druckluft) aufgeweitet, so dass sich die in Figur 7 unten dargestellte beständige Endform ergibt. Das Kanalsystem kann dann von einem geeigneten Wärmeaustauschmedium durchströmt werden.

Claims

Pa ten tan spr üche
Verfahren zur Herstellung eines Niederdruck- Dünnwandwärmetauschers mit den folgenden Schritten:
Bereitstellen einer dünnen Metalldecklage;
Bereitstellen einer dünnen Lage aus einem siegelfähigen Polymer durch Aufbringen einer Beschichtung auf eine Seite der Metalldecklage und/oder in Form einer von der Metalldecklage getrennten Lage;
Bereitstellen einer zweiten dünnen Decklage aus Metall oder Kunststoff; und
Versiegeln der beiden Decklagen miteinander mit Hilfe der dazwischen angeordneten Lage aus dem siegelfähigen Polymer unter Bildung eines zum Durchsatz eines Wärmeaustauschmediums geeigneten Hohlraumes.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Decklagen verwendet werden, die jeweils mit einer Beschichtung aus einem siegelfähigen Polymer versehen und miteinander versiegelt werden. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine mit einer Beschichtung aus einem siegelfähi gen Polymer versehene Decklage mit einer mit einem Primer ohne Polymerbeschichtung versehenen zweiten Decklage versiegelt wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Decklagen über eine hiervon getrennte Zwischenlage aus einem siegelfähigen Polymer miteinander versiegelt werden.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Decklagen nur am Rand miteinander versiegelt werden, so dass sich ein für einen flächigen Durchsatz des Wärmeaustauschmediums geeigneter Hohlraum ergibt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Decklagen so miteinander versiegelt werden, dass sich ein Kanalsystem für den Durchsatz des Wärmeaustauschmediums ergibt
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine der Form eines Hohlraumes oder eines Kanalsystems entsprechende siegelfähige Polymerzwischenlage verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in mindestens eine Decklage vor dem Versiegeln ein Hohlraum oder ein Kanalsystem für den Durchsatz des Wärmeaustauschmediums eingeprägt wird .
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Decklagen zur Ausbildung eines Hohlraumes für einen flächigen Durchsatz oder eines Kanalsystems miteinander versiegelt werden und dass der Hohlraum oder das Kanalsystem durch
Druckaufbringung aufgeweitet wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum oder das Kanalsystem bei oder nach dem Versiegeln mit Anschlusselementen versehen wird.
Verfahren nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Decklage auf einer Seite oder beiden Seiten mit einer Schutzschicht versehen wird.
Niederdruck- Dünnwandwärmetauscher mit einer ersten dünnen Decklage (10) aus Metall, einer zweiten dünnen Decklage (11) aus Metall oder Kunststoff und einer Verbindungsschicht zwischen den beiden Decklagen aus einem siegelfähigen Polymer, wobei zwischen den Decklagen (10, 11) ein Hohlraum oder ein Kanalsystem (5) für ein Wärmeaustauschmedium ausgebildet ist.
13. Niederdruck- Dünnwandwärmetauscher nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Decklage (11) einen eingeprägten Hohlraum oder ein eingeprägtes Kanalsystem (5) besitzt.
Niederdruck- Dünnwandwärmetauscher nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsschicht unter Ausbildung eines Hohlraumes oder eines Kanalsystems zwischen den Decklagen vorgesehen ist.
Niederdruck- Dünnwandwärmetauscher nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlraum oder das Kanalsystem durch Aufweitung mittels Druckbeaufschlagung gebildet ist.
Niederdruck- Dünnwandwärmetauscher nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass er einen Teil eines Photovoltaikmoduls bildet und unter dessen Backsheet (22) zur Wärmerückgewinnung angeordnet ist. 17. Niederdruck- Dünnwandwärmetauscher nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass er gemäß einem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellt ist.
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