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Die Erfindung betrifft einen Luftkollektor mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruches 1.
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Das Grundprinzip von Lufkollektor besteht darin, dass Sonnenlicht in eine Kammer mit einem Absorber fällt, der sich erwärmt und seinerseits die Wärme an vorbeiströmende Luft abgibt. Für die Konstruktion, insbesondere der Kammer, gibt es unterschiedliche Möglichkeiten. So weist der Luftkollektor gemäß der
DE 29 47 811 A1 als Absorber ein Blech auf, zwischen dessen hochgebogenen Längsrändern als Wand eine transparente Kunststofffolie gespannt ist, wodurch die Kammer gebildet wird. Auch in der
DE 103 07 540 A1 wird ein Luftkollektor mit einer Folie als Wand beschrieben. Mittels eines Überdrucks in der Kammer wird die gewölbte Form der Folie stabilisiert. Der Luftkollektor der
DE 199 17 578 C1 weist Kammern auf, die durch eine transparente Stegplatte als Wand auf der sonnenzugewandten Seite und eine trapezförmig gewellte Absorberplatte auf der sonnenabgewandten Seite der Kammern gebildet sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen Luftkollektor der eingangs genannten Art zu verbessern. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Luftkollektor mit den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Mittels gewölbter Wände wird die Anzahl der Einzelteile reduziert, so dass sich die Herstellung des Luftkollektors vereinfacht. Zudem ergibt die Wölbung eine aerodynamische Bauform, die gegen Windlasten weniger anfällig ist als eine eckige Bauform.Die zu wölbenden Wände sind im Ausgangszustand flach, d.h. sie sind als Platten ausgebildet, mit zwei wenigstens näherungsweise parallelen Längsrändern, quer dazu verlaufenden, zu krümmenden Seiten und einer wenigstens näherungsweise konstanten Dicke. Sie sollen eine gewisse Biegesteifigkeit haben, welche deutlich höher als diejenige von Folien ist. Die gewölbte Form bildet sich aus, wenn auf die jeweilige Wand ein Biegemoment wirkt und selbige biegt. In Abhängigkeit des verwendeten Materials liegt das Verhältnis der Dicke der Wand zur Breite der zu biegende Seite der Wand vorzugsweise im Bereich von etwa 0,5 % bis 1 %. Die Wand erhält ihre gewölbte Form durch Biegen aufgrund einer Verringerung des Abstandes der beiden Längsränder. Die Biegesteifigkeit der formstabilen Wand macht Stützrippen oder ähnliche formgebende Elemente entbehrlich, wie sie bei Folien zur Aufrechterhaltung (und zur Erzeugung) der gewölbten Form notwendig sind.
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Ein bevorzugtes Material für die Wände sind Platten aus Kunststoff, beispielsweise Polycarbonat, die sich in eine Richtung beziehungsweise um eine Achse gut biegen lassen, ansonsten aber sehr formstabil sind und zudem für Sonnenlicht transparent sind. Es ergibt sich ein geringes Gewicht. Mittels einer Rippenstruktur oder dergleichen ergibt sich eine Vorzugsrichtung für das Biegen. Alternativ bestehen die Platten aus biegsamem Glas, welches die gleichen Eigenschaften zeigt. Als isotropes Material ist dabei eine Biegung um mehrere Achsen möglich. Die verwendeten Materialien können so gewählt werden, dass sie den entstehenden Temperaturen auch standhalten, wenn die Luft nicht mehr strömt, beispielsweise bei Ausfall eines Gebläses. Ein Überhitzen des Luftkollektors wird so vermieden. Die verwendeten Materialien können auch so gewählt werden, dass es nur wenige Sorten gibt, also der Luftkollektor gut zu recyceln ist.
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Die Verwendung einer biegbaren und ansonsten formstabilen Wand gegenüber Folien hat den Vorteil, dass in der Kammer ein Unterdruck eingestellt werden kann, was sowohl für ein Ansaugen der Luft als auch für die Dichtigkeit günstig ist. Zudem wird eine Geräuschentwicklung bei Druckschwankungen vermieden. Eine geringfügige Verbesserung ergibt sich noch durch eine Brechung des Sonnenlichtes in den Randbereich, so dass der Absorber etwas mehr Sonnenlicht erhält als dass bei abgewinkelten Seitenwänden der Fall wäre. Als bevorzugte Ausführungen sind zwei gewölbte Wände oder eine gewölbte (auf der sonnenzugewandten Seite) und eine flache Wand (auf der sonnenabgewandten Seite) vorgesehen. Im ersten Fall kann die Luft auf zwei Seiten des Absorbers strömen, was den Wirkungsgrad erhöht, im zweiten Fall auf der sonnenzugewandten Seite. Eine Dämmplatte auf der Innenseite der sonnenabgewandten Wand kann den Wirkungsgrad weiter steigern. Stirnseitige Deckel können so gewählt werden, dass die auf beiden Seiten des Absorbers strömende Luft gleichgerichtet oder nach einer Umlenkung gegenläufig strömt. Mit einem konstanten Profil in Längsrichtung des Luftkollektors ist ein modularer Aufbau mit aneinander anschließenden Kammern gut zu verwirklichen.
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Die durch Biegen entstandene gewölbte Form wird durch ein Spannsystem aufrechterhalten, so dass ein selbsttragender Hohlkörper vorliegt. Das Spannsystem bringt das für die gewölbte Form notwendige Biegemoment auf. Vorzugsweise eignet sich das Spannsystem auch dazu, die gewölbte Form herzustellen, indem die zu biegenden Wände aus ihrem flachen Ausgangszustand heraus durch Spannen des Spannsystem gebogen werden. Es ist aber auch möglich, das Spannsystem erst einzusetzen, wenn eine Vorrichtung die Wände gebogen hat. Das Spannsystem wirkt zwischen den Längsrändern der gewölbten Wand. Es umfasst wenigstens ein Zugmittel, das vorzugsweise längenveränderlich ist. Das Zugmittel ist beispielsweise eine Gewindestange mit Muttern, zwischen denen die Längsränder der gewölbten (oder gegebenenfalls zunächst noch ungewölbten) Wände eingespannt sind. Zur Aufnahme der Längsränder der gewölbten Wände können zum Spannsystem noch Schienen gehören, insbesondere mit winkelförmigem Profil, welche mit den vorgesehenen Zugmitteln zusammenwirken. Zugleich können die Schienen durch flächige Anlage an die Wände abdichtend wirken.
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Der Luftkollektor kann im flachen Zustand transportiert werden, d.h. sandwichartig mit noch ungewölbten, flachen Wänden, die erst am Aufstellungsort ihre gewölbte Form erhalten. Somit ergibt sich für die Lagerung und den Transport ein flaches Packmaß. Die Wände können auch in gleicher Weise ausgetauscht werden. Etwaige Undichtigkeiten führen nicht zu einem Ausfall des Luftkollektors, sondern nur zu einer Leistungsreduzierung. Da der Luftkollektor an sich wartungsfrei ist, kann er auch zur Heizung von nicht ständig bewohnten Objekten eingesetzt werden. Vorzugsweise wird der Luftkollektor im Umluftbetrieb genutzt, d.h. die im Luftkollektor erwärmte Luft wird zum Heizen genutzt und kehrt dann wieder zurück in den Luftkollektor. Zum Entfeuchten von Räumen ist auch ein Durchlaufbetrieb mit Frischluft möglich.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen
- 1 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel, dessen Wände sich im flachen Ausgangszustand befinden,
- 2 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel während des Biegens der Wände,
- 3 einen Schnitt durch das Ausführungsbeispiel, dessen Wände eine gewölbte Form aufweisen,
- 4 eine erste perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels,
- 5 eine zweite perspektivische Ansicht des Ausführungsbeispiels,
- 6 einen schematischen Längsschnitt am Übergang zwischen zwei aneinandergereihten Modulen, und
- 7 einen schematischen Längsschnitt am Übergang zwischen Wand und dem Deckel.
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Ein Luftkollektor 1 dient zum Erwärmen von Luft mittels Sonnenlicht. Die Strömungsrichtung der Luft entspricht der Längsrichtung des Luftkollektors 1. Der Luftkollektor 1 weist ein Profil auf, welches dem Querschnitt einer bikonvexen Sammellinse oder einer Draufsicht auf ein Schiff mit symmetrischem Bug und Heck gleicht. Dieses Profil ist in Längsrichtung des Luftkollektors 1 wenigstens näherungsweise konstant. Die Diagonale des Profils und die Längsrichtung des Luftkollektors 1 spannen eine Ebene auf, in welcher ein (flacher) Absorber 3 angeordnet ist. Der Absorber 3 weist in an sich bekannter Weise ein hohes Absorptionsvermögen für Sonnenlicht auf, beispielsweise mittels einer schwarzen Färbung. Der Absorber 3 kann aus einem Rahmen aus (metallischem) Vierkantrohr besteht, auf welchem ein Blechstreifen befestigt ist. Es sind aber auch flexible Absorber 3 denkbar, beispielsweise aus einem Netz, aus Gaze oder aus einer Folie.
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Das Profil des Luftkollektors 1 wird von zwei gewölbten Wänden 5 definiert. Die beiden Wände 5 sind wenigstens näherungsweise gleich ausgebildet. Sie sind klar (lichtdurchlässig) oder wenigstens für Infrarot-Licht durchlässig. Bevorzugt ist eine Ausbildung als handelsübliche Doppelstegplatte, bestehend aus einem Kunststoff, beispielsweise Polycarbonat. Unter Verwendung von quadratischen Platten dieser Art haben die Wände 5 beispielsweise ein Dicke von etwa 1 cm und eine Seitenlänge von etwa 2 m. Die Längsrichtung wird in diesem Beispiel durch den Verlauf der Stege definiert und ansonsten durch die größte Abmessung der Wände 5. Die im Ausgangszustand flachen Wände 5 lassen sich gut um eine zur Längsrichtung parallele Achse biegen.
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Die beiden Wände 5 sind wenigstens näherungsweise symmetrisch zueinander mit dem Absorber 3 in der Mitte angeordnet und erstrecken sich in Längsrichtung des Luftkollektors 1. Die beiden Wände 5 sind an ihren beiden - wenigstens näherungsweise in Längsrichtung verlaufenden - Längsrändern 5a paarweise zusammengehalten. Zum Zusammenhalten ist vorliegend jeweils eine Schiene 7 mit einem zweischenkeligen Profil vorgesehen. Jede Schiene 7 nimmt von beiden Wänden 5 jeweils einen Längsrand 5a auf. Die beiden Schienen 7 verlaufen parallel zueinander in Längsrichtung des Luftkollektors 1.
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Der Absorber 3 ist zwischen den Schienen 7 angeordnet. Der Abstand der beiden Schienen 7 zueinander, also quer zur Längsrichtung, ist kleiner als die Abmessung der Wände 5 in der Ebene senkrecht zur Längsrichtung, wodurch die gewölbte Form der Wände 5 entsteht. Die Kräfte zur Aufrechterhaltung der gewölbten Form der Wände 5 werden durch wenigstens ein Zugmittel 9 aufgenommen. Die vorgesehenen Zugmittel 9 sind zwischen Längsrändern 5a der Wände 5 wirksam, vorzugsweise indem sie zwischen den die Längsränder 5a der Wände 5 aufnehmenden Schienen 7 wirksam sind. Vorzugsweise sind die vorgesehenen Zugmittel 9 längenveränderlich.
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Als Zugmittel 9 kann beispielsweise eine Gewindestange verwendet werden, welche mit Muttern auf der Außenseite der - mit entsprechenden Bohrungen versehenen - Schienen 7 zusammenwirkt. Alternativ können als Zugmittel 9 beispielsweise Kombinationen von mehreren Gewindestangen, Stahlseilen oder Gurten mit Spannschlössern oder Gurtspannern vorgesehen sein. Die vorgesehenen Zugmittel 9 können den Absorber 3 oder mit ihm verbundene Bauteile durchdringen oder diesen in den Kraftfluss einbeziehen. Im Falle einer Ausbildung des Absorbers 3 mit einem Rahmen würde dieser Rahmen beispielsweise paarweise fluchtende Bohrungen für einen Durchtritt des Zugmittels 9 oder andere Befestigungsmöglichkeiten für jeweils ein Paar von Zugmitteln 9 aufweisen. Im Falle eines flexiblen Absorbers 3 kann dieser zugleich das Zugmittel 9 bilden. Eine Ausbildung des Absorbers 3 ohne Rahmen ist möglich. Im Falle eines festen Absorbers 3 kann selbiger Kühlrippen und/oder Luftleitbleche aufweisen, um den Wirkungsgrad zu steigern.
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Um die gewölbte Form der Wände 5 zu erzeugen, werden die zunächst flachen Wände 5 auf den beiden Seiten des Absorbers 3 positioniert und die beiden Schienen 7 an den Längsrändern 5a der Wände 5 angelegt. Die beiden Wänden 5 sind dann an jedem Längsrand 5a in dem Raum zwischen den beiden Schenkeln jeweils einer Schiene 7 angeordnet. Dann wird der Abstand zwischen den beiden Schienen 7 (und damit der Abstand zwischen den beiden Längsrändern 5a jeder Wand 5) durch Spannen der vorhandenen Zugmittel 9 verkürzt, beispielsweise um 5 bis 30 %, vorzugsweise um 10 bis 25 %. Während dieses Spannvorgangs weichen die Wände 5 der Spannung durch Ausbildung der gewünschten gewölbten Form aus. Sie biegen sich um ein in Längsrichtung - und damit wenigstens näherungsweise parallel zu den Längsrändern 5a - verlaufende Achse. Sie legen sich dabei an die Schenkel der Schienen 7 an, welche einerseits den gewünschten Winkel vorgeben und andererseits bei diesem gewünschten Winkel abdichtend wirken.
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Eine Alternative zu einer Schiene 7 mit einem festen Winkel zwischen den Schenkeln wäre ein Scharnier, beispielsweise ein Klavierband. Die beiden Schenkel dieser klappbaren Schiene 7 würden mit den jeweiligen Wänden 5 dicht verbunden werden und während des Spannvorgangs aufklappen. Bei einem alternativen Spannvorgang wird der Absorber 3 erst seitlich eingeschoben, wenn die Wände 5 bereits die gewünschte gewölbte Form ausgebildet haben. Der derartiger Absorber 3 könnte beispielsweise ein einfacher Blechstreifen sein. In einem anderen alternativen Spannvorgang wird mit einer externen Vorrichtung gespannt, und die vorgesehenen Zugmittel 9 werden erst am Ende des Spannvorgang zwischen den Schienen 7 angebracht. Darunter soll auch der Fall verstanden werden, dass der Absorber 3 in den Kraftfluss einbezogen ist und paarweise Zugmittel 9 vorgesehen sind, die am Ende des Spannvorgangs jeweils dem Absorber 3, insbesondere seinem Rahmen, und der zugeordneten Schiene 7 angebracht werden.
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Es ist auch eine alternative Ausführung mit nur einer gewölbten Wand 5 denkbar. Um ein geschlossenes Profil zu erhalten, kann der Absorber 3 oder eine flache Wand auf der sonnenabgewandten Seite des Absorbers 3 mit ihren entsprechenden Längsrändern zwischen den Schienen 7 ausgerichtet sein, um am Ende des Spannvorgangs die Längsränder 5a der gewölbten Wand 5 zu erreichen und mit den Schienen 7 abdichtend zu wirken.
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Nachdem der Luftkollektor 1 sein gewünschtes Profil erhalten hat, werden an den beiden Stirnseiten Deckel 10 angebracht. Die Deckel 10 werden in abdichtender Weise mit den Wänden 5 verbunden. Die verwendeten Dichtungen 10a können in einem Spalt zwischen den Bauteilen (Wände 5, Deckel 10) angeordnet sein, wobei sie zugleich Toleranzen ausgleichen können, oder - im Falle aneinander anliegender Bauteile - die entstehende Fuge abdecken. Beispiele für Dichtungen 10a sind profilierte Dichtlippen, Klavierbanddichtungen oder Kederbanddichtungen, jeweils beispielsweise aus EPDM, oder Kompribänder, beispielsweise aus Polyurethanschaum, die nach der Montage langsam expandieren, bis sie einen vorhandenen Spalt zwischen den Bauteilen schließen.
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Geeignete Befestigungsmittel 10b sorgen für den Zusammenhalt der Bauteile. Die Befestigung der Deckel 10 kann unter Zwischenlage der Dichtungen 10a an den Stirnseiten der Wände 5 erfolgen, wie es beispielsweise von Einweckgläsern bekannt ist. Es auch möglich, die Deckel 10 versetzt zur Stirnseite der Wände anzuordnen und die Dichtung 10a auf einer oder beiden Seiten mittels der Befestigungsmittel in Anlage an der Fuge zu halten. Es können auch Flanschsysteme verwendet werden.
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Die Deckel 10 weisen ein zum Profil des Luftkollektors 1 passende Form auf, beispielsweise ein wenigstens näherungsweise augenförmiges Profil. Um dieses spezielle Profil aus einem festeren Material herzustellen, kann auch 3D-Druck eingesetzt werden, wie es auch für andere Bauteile des Luftkollektors 1 denkbar ist. Die Deckel 10 können auch aus einem flexiblen Material bestehen, das auf die Stirnseite der Wände 5 aufgeschrumpft wird.
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Begrenzt von den gewölbten Wänden 5 und den Deckeln 10 werden zwei Kammern 15 im Inneren des Luftkollektors 1 gebildet, welche ihrerseits durch den Absorber 3 voneinander getrennt sind. Wenn nur eine Wand 5 gewölbt ist, wird nur eine Kammer 15 gebildet. Die Kammern 15 sind durch wenigstens einen Einlass 21 und wenigstens einen Auslass 22 zugänglich, beide von wenigstens näherungsweise gleichem Querschnitt. Der Einlass 21 ist in einem der beiden Deckel 10 vorgesehen, während der Auslass 22 im anderen, gegenüberliegenden Deckel 10 oder im gleichen Deckel 10 ausgebildet ist. Im ersten Fall ist eine einheitliche Strömungsrichtung der Luft für beide Kammern 15 vorgesehen. Im zweiten Fall ist am anderen Ende ein Übergang zur anderen Kammer 15 vorgesehen, beispielsweise ein Durchlass im oder neben dem Absorber 3 oder eine Umlenkung (Bogen) im Deckel 10, so dass die Strömungsrichtungen der Luft auf den beiden Seiten des Absorbers 3 entgegengesetzt sind. Der Durchlass oder die Umlenkung hat wenigstens näherungsweise gleichem Querschnitt wie der Einlass 21 und der Auslass 22. Der Durchlass kann aus einer oder mehreren Öffnungen bestehen. Im einfachsten Fall ist der Absorber 3 in Längsrichtung etwas kürzer ausgebildet, und der frei gebliebene Streifen neben dem Absorber 3 bildet den Durchlass.
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Der Luftkollektor 1 ist für eine modulare Ausgestaltung geeignet, indem mehrere der bislang beschriebenen Aufbauten als Module dienen und - unter Auslassung der Deckel 10 und mittels geeigneter Dichtungen 10a - aneinandergereiht werden, und nur an den beiden freien Enden Deckel 10 vorgesehen sind. Als Dichtungen 10a eignen sich beispielsweise Flanschsysteme oder Dichtelemente in umlaufenden Nuten oder Spalten, wie sie auch für die Abdichtung der Deckel 10 eingesetzt werden können. Das wenigstens näherungsweise konstante Profil des Luftkollektors 1 begünstigt diese modulare Ausgestaltung.
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Mit den im Ausführungsbeispiel als Wände 5 verwendeten Doppelstegplatten ist eine Abwandlung möglich, bei der die Hohlräume in den Wänden 5 an den Stirnseiten untereinander oder mit denen des nächsten Moduls untereinander verbunden und gegenüber der Umgebung abgedichtet sind. So entsteht ein Hohlraumsystem, welches evakuiert werden kann, beispielsweise an den Ecken der Stirnseiten, um den Wirkungsgrad zu steigern.
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Im Betrieb des Luftkollektors 1 befördert vorzugsweise ein nicht näher dargestelltes Gebläse Luft durch den Einlass 21 auf der einen Stirnseite in wenigstens eine der vorgesehenen Kammern 15, wo die Luft am Absorber 3 entlang strömt. (Sonnen-)Licht fällt durch die sonnenzugewandte Wand 5 ein und erwärmt den Absorber 3, welcher seinerseits die Wärme an die vorbeiströmende Luft abgibt. Wenn an der anderen Stirnseite der Absorber 3 einen Durchlass oder der Deckel 10 eine Umlenkung enthält, strömt die erwärmte Luft in der anderen Kammer 15 mit umgekehrter Strömungsrichtung am Absorber 3 auf dessen sonnenabgewandter Seite entlang und erwärmt sich weiter, bis sie durch den Auslass 22 diese Kammer 15 und damit den Luftkollektor 1 verlässt. Wenn der besagte Deckel 10 auf der anderen Strinseite den Auslass 22 aufweist, verlässt die Luft den Absorber 3 bereits dort.
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Bevorzugt ist, dass das Gebläse saugend wirkt, also nach dem Auslass 22 angeordnet ist und ein leichter Unterdruck in den Kammern 15 herrscht. Es ist aber auch möglich, dass das Gebläse vor dem Einlass 21 angeordnet ist und die Luft mit einem leichten Überdruck durch die Kammern 15 befördert. Das wenigstens näherungsweise konstante Profil des Luftkollektors 1 sorgt für geringe Strömungswiderstände und ermöglicht Gebläse mit geringem Leistungsbedarf.
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Der Luftkollektor 1 kann alternativ ohne Gebläse betrieben werden. Wenn die erwärmte Luft am Auslass 22 ungehindert ausströmen kann, beispielsweise durch eine geeignete Ausbildung der Leitungen, entsteht ein Sog, der in die Kammern 15 hineinwirkt und Luft angesaugt. Damit kann auch bei der Ausführung mit Gebläse der Ausfall des Gebläses wenigstens teilweise ausgeglichen werden.
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Zum Aufstellen und/oder Befestigen des Luftkollektors 1 auf einem Untergrund weist der Luftkollektor 1 einen geeigneten Träger 25 auf. Der Träger 25 ist vorzugsweise eine Rahmenkonstruktion, an welcher die Schienen 7 befestigt werden können, beispielsweise angeschraubt. Der Träger 25 kann auch mehrteilig ausgebildet sein, so dass die Schienen 7 oder der Untergrund die Teile des Trägers 25 miteinander verbinden. Um den Luftkollektor 1 auf dem Gelände, auf einem Flachdach, auf einem Pultdach oder auf einem sonstigen näherungsweise ebenen Untergrund aufzustellen, ist ein Träger 25 in Winkelform geeignet, der zugleich eine Ausrichtung des Luftkollektors 1 vorgibt, welche den Sonnenstand in Abhängigkeit des Breitengrads des Standortes berücksichtigt. Um den Luftkollektor 1 auf einem Schrägdach oder sonstigen schrägen Untergrund zu befestigen, wofür vorzugsweise die Ausführung mit nur einer gewölbten Wand 5 verwendet wird, kann der Träger 25 gegebenenfalls auch als flacher Rahmen ausgebildet sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftkollektor
- 3
- Absorber
- 5
- Wand
- 5a
- Längsrand der Wand
- 7
- Schiene
- 9
- Zugmittel
- 10
- Deckel
- 10a
- Dichtung
- 10b
- Befestigungsmittel
- 15
- Kammer
- 21
- Einlass
- 22
- Auslass
- 25
- Träger
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2947811 A1 [0002]
- DE 10307540 A1 [0002]
- DE 19917578 C1 [0002]
