PUR Anwendungen im Bereich der Solarthermie - Herstellung von PUR-Sammelkästen im IMC Verfahren aus Hart-Integralschaum

Autor: Hubert Ruthmann (Technischer Leiter), Philippine GmbH & Co., Technische Kunststoffe KG, Lahnstein

1. Philippine und Solarthermie?
Polyurethan wird bei Philippine seit dem Gründungsjahr 1947 zu diversen Formteilen verarbeitet: von Weichschäumen für Sitzeinlagen oder Kopfstützen über Halbhartschäume für Armauflagen oder Inserts für Seitenairbagdeckel bis hin zu Hartschäumen für Stoßabsorber, Konstruktionselemente, Modellblöcke und vieles mehr. Sehr unterschiedliche Charakteristiken lassen sich in den verschiedenen Rohstoffunterteilungen erzielen, wie z. B. energieabsorbierende Schäume oder Akustikschäume.
Durch den eigenen Werkzeug- und Anlagenbau gelingt es Philippine stets schnell auf die sich verändernden Anforderungen zu reagieren.     Neben anderen Automobilzulieferern, die sich in den letzten Jahren auf den sich ständig weiter entwickelten Märkten der Solarbranche ein weiteres Standbein geschaffen haben, beschäftigt sich auch die Firma Philippine seit dem Jahre 2004 mit der Herstellung von Teilen aus PUR für den Kollektorbereich.
Im Jahre 2006 beschloss man mit der Firma NARVA aus Brand-Erbisdorf in Sachsen mit deren neu entwickelten Vakuumröhre einen eigenen Kollektor unter dem Namen SUNPUR zu produzieren.
Der PUR Rohstoff für die Sammelkästen wird von der Firma Rühl Puromer AG bei Frankfurt bezogen. Gemeinsam entwickelte man ein bereits seit vielen Jahren in der Wohnmobilbranche eingesetztes System namens PUR580 weiter. In dieser Branche kommen lackierte Fensterrahmen im Außenbereich bzw. Dachhalterungen zum Einsatz.
Durch diese positiven Erfahrungen konnte man nun die neue Aufgabe, einen kompletten Sammelkasten für Solarkollektoren zu entwickeln, angehen.
Da die Sammelkästen bis 1.200 mm lang sind, musste wegen der stark unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten zu Kupfer und Aluminium mit Glasfasern gearbeitet werden. Weiterhin wurde zur sicheren UV-Beständigkeit mit einem IMC-Lack gearbeitet. Nach einem Jahr Entwicklungsarbeit waren bereits die ersten Testanlagen auf den Dächern. Die neue Vakuumröhre zusammen mit dem Isoliergehäuse von Philippine erreichte auf Anhieb beim TÜV Rheinland Spitzenwerte bei der Solar-Keymark-Prüfung. Bis zum heutigen Tage sind zwei weitere Kollektortypen mit PUR-Sammelkasten ins Programm aufgenommen worden. (Foto 1)

 

Philippine-bild-1Foto 1

2. Voraussetzungen für den PU-Einsatz in der Solarthermie

Welche Voraussetzungen sind zu untersuchen, um PUR Hartintegralschaum für Sammelkästen verwenden zu können?

2.1 Stabilität / Verwindungssteifigkeit
Kollektoren werden hohen Belastungen ausgesetzt: vom Transport über viele Ländergrenzen hinweg, aus der Verpackung aufs Dach, thermische Schwankungen bzw. mechanische Belastungen wie Wind- und Schneelasten. All diese Belastungen müssen von den Bauteilen eines Kollektors während der Konstruktionsphase berücksichtigt werden. In der Automobilindustrie sind Anforderungen an die Bauteile über langjährige Entwicklungserfahrungen der OEMs und Zulieferer in vielen Spezifikationen, Werksnormen und TLs fixiert.
Dies ist in der Solarindustrie noch nicht so stark untergliedert. Die europäische Norm DIN EN 12975 1-2 2006 sagt etwas über die grundlegenden Prüfungen für Kollektoren aus. Hier werden Innendruckprüfungen, Hochtemperaturprüfungen, Temperaturwechselprüfungen, mechanische Belastungstests und Beregnungstests durchgeführt. Die Innendruckprüfung ist relevant für die mediengeführten Bauteile wie Sammelrohre und hydraulische Verschraubungen.

Die 60-minütige Hochtemperaturprüfung ermittelt die maximal auftretende Temperatur im Stagnationsfall. Dafür werden die Vakuumröhren mit 1.000 Watt/m² bestrahlt ohne dass die entstehende Hitze aus den Röhren und Sammelrohren abgeführt werden. Bei unserem Kollektor entstand eine Stagnationstemperatur von ca. 280 °C in den Vakuumröhren. Am Sammelrohr entstehen dann etwa 220 °C.
Bei der Temperaturwechselprüfung wird auch der Kollektor auf Stagnationstemperatur gebracht. Danach wird durch das Sammelrohr 18 °C kaltes Wasser in den Kollektor gepumpt. Dadurch entstehen Dampfphasen, welche die Sammelrohre und das Gehäuse starken Spannungen aussetzen. Bei den mechanischen Belastungstests wird der gesamte Kollektor inklusive des Sammelkastens einem Druck von 2.000 Pa ausgesetzt. Die Vakuumröhrenbelastung geht dabei direkt auf die kleine Auflagefläche im PUR-Sammelkasten über.

2.2 Einfache Fügetechnik wie Schrauben oder Nieten
Derzeit werden Kollektoren in verschiedenen Bauweisen angeboten. Heat-Pipe-Kollektoren werden meist als Baugruppe, also rahmenlos, zu den Handwerksfirmen bzw. Endkunden geliefert.

Direkt durchflossene Kollektoren werden mit Rahmen gefertigt. Daher ist eine funktionelle Fügetechnik von großer Bedeutung. Der Rahmen ist gewöhnlich gezogenes AL-Profil und wird mit dem Sammelkasten bzw. Fußteil verschraubt oder genietet. Hohe Ausreißkräfte müssen vorhanden bzw. mehrmaliges Lösen des Deckels möglich sein.
 
2.3 Temperaturbeständigkeit (-40 °C - +80 °C)
Kollektoren sind der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt und müssen daher hohen äußeren so wie inneren Medientemperaturen sicher standhalten. Besonders wichtig sind die unterschiedlichen Längenausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien wie Aluminium, Kupfer, Dichtungsmaterialien und Kunststoffen.

2.4 Geringes Gewicht
Da die Kollektoren weltweit versendet werden, ist ein geringes Gewicht zum einen hinsichtlich der Transportkosten, als auch für ein gutes Handling auf der Baustelle von großer Relevanz.
Flachkollektoren haben durch die starke Rahmenkonstruktion und diw ca. 4,0 mm starke Glasscheibe ein hohes Gewicht. Dadurch werden zur Montage min. zwei Monteure benötigt. Ziel sollte sein, Kollektoren zu bauen, welche eine geringe Dachlast und ein gutes Handling aufweisen. Der SUNPUR OEM10/2DF-Kollektor hat ein Gewicht von nur 26,5 kg inkl. des selbsttragenden AL-Profilrahmens und ist daher von einem Monteur leicht zu handhaben.


3. Anforderungen an den Werkstoff PUR-Hartintegral-Werkstoff

3.1 Warum PUR?

Die Entscheidung, Polyurethan für den Einsatz in der Solarthermie zu verwenden, wurde von verschiedenen Faktoren beeinflusst: Der überwiegende Teil der Kollektor-Sammelkästen besteht aus gekantetem Blech bzw. stranggezogenen AL-Profilen. Ein großer Vorteil des PUR-Materials besteht in der Designfreiheit gegenüber herkömmlichen Sammelkästen von Vakuumröhrenkollektoren. Ohne zusätzliche Bauteile können Funktionen wie Zentrierungen, Dichtungsaufnahmen Anschläge usw. integriert werden. Da das Raumgewicht von PUR-Hartintegral zweckmäßig zwischen 700 g/l bis 900 g/l gefertigt wird, ergibt sich ein Gewichtsvorteil gegenüber herkömmlichen Bauarten. OEM-Kollektorproduzenten nutzen unterschiedliche Werkzeugeinsätze, um individuelle Kundenmerkmale darzustellen. PUR-Werkzeuge sind gegenüber Spritzwerkzeugen kostengünstiger und amortisieren sich bei geringeren Stückzahlen schneller. Bei entsprechenden Abnahmemengen kann durch Farbdosierung ein weiteres Kundenmerkmal erzeugt werden.

3.2 Schlagzähigkeit

Für die Philippine-Sammelkästen wird der Rohstoff der Firma RÜHL PUROMER GmbH mit der Bezeichnung PUR580-2L schwarz UV mit der B-Komponente PUR900 verwendet. Dieser Rohstoff wird bereits viele Jahre in der Außenanwendung eingesetzt und bietet daher entsprechende Erfahrungswerte. Der Rahmen des Wohnmobilfensters wird aus PUR580 ohne IMC hergestellt. (Foto 2)

 

Philippine-bild-2 Foto 2


Der Kollektor, besonders der Deckel des Sammelkastens und die Röhren, werden einem Hagelschlagtest ausgesetzt. Hier werden 25 mm starke Eiskugeln 10 x mit einer Geschwindigkeit von 83 km/h auf die gleiche Stelle geschossen. Am Deckel dürfen keine mechanischen Schäden sichtbar sein.

3.3 Längenausdehnungskoeffizient
Der Längenausdehnungskoeffizient ist bei den Materialpaarungen Aluminium, Kupfer und PUR-Hartintegralschaum besonders wichtig.
Durch die Verwendung von 18,5 % Glasanteilen im Polyol sind die unterschiedlichen Längenausdehnungen der verwendeten Materialien durch konstruktive Maßnahmen beherrschbar. (Fotos 3-5).

 

Philippine-bild-3-a Foto 3

 

 

Philippine-bild-3-b Foto 4

 

Philippine-bild-3-c Foto 5

 

Sammelkasten aus PUR-Hartintegral mit Aluminium-Längs- und Querprofilen und eingebautem Kupfer-Sammelrohr. Sammelkastenlänge: 1150mm.

3.4 Wärme- und Kältebeständigkeit

Da die Sammelkästen, meist schwarz, der direkten Sonneneinstrahlung ausgesetzt sind, sind Gehäusetemperaturen von bis zu 80 °C möglich. Temperaturmessungen ergaben bei einer Außentemperatur von 35 °C, senkrechter Sonneneinstrahlung, einer Glykoltemperatur im Kollektor von 130 °C eine Oberflächentemperatur von 68 °C. Dieses zeigt die gute Isoliereigenschaft des Bauteils.

3.5 UV- Beständigkeit so wie die Farbechtheit über 10 Jahre
Zum internen UV-Schutz im Polyol wird zur weiteren Sicherheit der Kollektorgehäuse ein PUR-Lack im IMC-Verfahren aufgebracht. Dieser Lack wird von der Firma Bomix unter der Bezeichnung Bomix-AQUA PUR-IMC VP 835 bezogen. Prüfungen siehe 6.3.

4. Verarbeitung und Werkzeugtechnik
Durch den Glaszusatz im Polyol kommt zur Verarbeitung eine Kolbendosiermaschine zum Einsatz. Bei Philippine wird eine Comet K20-20 der Firma KraussMaffei eingesetzt. (Fotos 6-8)

 

Philippine-bild-4a  Foto 6

 

Philippine-bild-4b  Foto 7

 

Philippine-bild-4c Foto 8

 

Kolbendurchmesser: 100 mm
Fördervolumen: 186 g/s Polyol | 149 g/l Iso

Um eine besonders homogene Struktur des PUR-Materials zu bekommen, wird ein spezielles Filmangusssystem zwecks zusätzlicher Nachvermischung eingesetzt.
Werkzeugtemperatur: 45 °C.
Mischungsverhältnis: 100:80

5. Montageanwendungen
Folgende Montageanwendungen finden bei den Philippine-SUNPUR-Kollektoren Anwendung:

5.1 Schraubtechnik

Philippine-bild-5Foto 9 Glasfaserverstärkter PUR eignet sich besonders gut für die direkte Verbindungstechnik mittels Schrauben. Es ist darauf zu achten, dass der Schraubenkern nicht zu viel Druck auf den PUR-Werkstoff ausübt. Daher werden teilweise Kernbohrungen mit angeformt. Auf große Gewindeflanken und Auflageflächen des Schraubenkopfes ist zu achten. (Foto 9)

5.2 Formschlüssige Verbindungstechnik
Solarkomponenten können formschlüssig mit den zur Dachmontage notwendigen AL-Profilen verbunden werden, um Montagezeit und Material einzusparen. (Fotos 10-12)

 

 

 

Philippine-bild-6a  Foto 10

 

Philippine-bild-6b  Foto 11

 

Philippine-bild-6c Foto 12

 

6. Prüfungen
Folgende Prüfungen werden an den Sammelkästen durchgeführt:

6.1 Klimawechselprüfungen

Die Philippine-internen Klimawechselprüfungen wurden von den Prüfspezifikationen für Exterieur-Teile der Automobilindustrie abgeleitet. Die Prüfung hat eine Dauer von 168 Stunden und deckt den Temperaturbereich von -40 ° - +80 °C ab. Luftfeuchtigkeitsstufen von 0-100 % gehören ebenfalls zur Klimawechselprüfung.

6.2 Prüfungen des Längenausdehnungskoeffizienten

Über längere Messreihen wurden die Längenausdehnungskoeffizienten des PUR-Materials mit unterschiedlichem Glasgehalt untersucht. In der untenstehenden Tabelle sind die gemittelten Messwerte aufgeführt.

 Material aM Ausdehnung bei 1000mm & ∆T 60°K
 Aluminium 23,8 x10-6 K-1 1,428 mm
 Kupfer  16,5 x10-6 K-1 0,990 mm
 PUR-Hartintegral ohne Glas 73,0 x10-6 K-1 4,380 mm
 PUR-Hartintegral mit 15,8 % Glas 34,2 x10-6 K-1 2,052 mm
 PUR-Hartintegral mit 18,5 % Glas 32,5 x10-6 K-1 1,950 mm


6.3 Farbechtheit
Das Bauteil wird einer Schwitzwasser-Konstantklima Prüfung nach DIN 50017 SK (Exposition 240 Stunden bei 40°C ±2; 100% relative Luftfeuchte) unterzogen.
Eine Prüfung der Lichtbeständigkeit nach DIN 53387 (Heraeus Xenontest 150 s, Prüfdauer: 1.500 Stunden Wendelauf) wird ebenfalls durchgeführt. Die Farbtonabweichung Delta E muss < 1,0 betragen.

 

6.4 Schraubenzugfestigkeit
Anhand der Abbildungen ist gut zu erkennen, dass der Schraubenkerndurchmesser verdichtet ist. Bei diesem Versuch wurde eine Schraube 4 x 35 mm durch eine um 50 % kleinere Kernbohrung (2,0 mm) in Bezug auf den Außendurchmesser vorgeformt. Der Kerndurchmesser der Schraube beträgt 2,5 mm. Dieses bedeutet eine Verdichtung um 25 % bezogen auf den Durchmesser. Die Schraubenzugfestigkeit beträgt im Mittel 2500N bei einer Rippenstärke von 10 mm. Dieses bedeutet das Sechsfache des kompletten Kollektorgewichts. (Fotos 13+14)

 

Philippine-bild-7a  Foto 13

 

Philippine-bild-7b  Foto 14

 

Polyurethanwerkstoffe werden besonders durch die hohen Metall-Rohstoffkosten und die Stückzahlerhöhungen zunehmend an Bedeutung gewinnen. Die Integration von Zusatzfunktionen in diese Bauteile bietet weitere Vorteile des PU-Werkstoffes.
Philippine wird auch künftig in den Ausbau der Polyurethantechnik investieren, da unserer Meinung nach das Potenzial noch lange nicht ausgeschöpft sein wird.