KR100826524B1

KR100826524B1 - 컬렉터 모듈

Info

Publication number: KR100826524B1
Application number: KR1020037008961A
Authority: KR
Inventors: 부루노트마틴; 하아스곧프라이드; 쿠아스트클라우스
Original assignee: 쇼오트 아게
Priority date: 2001-01-23
Filing date: 2002-01-23
Publication date: 2008-04-30
Also published as: EP1354170A1; JP2004517296A; US20040050542A1; CN100380067C; ATE273491T1; DE50200810D1; KR20030070596A; JP3885171B2; CN1531638A; EP1354170B1; DE10102825C1; US6817357B2; WO2002059531A1

Abstract

본 발명은 열전달 매개체 유동을 위한 유입부와 배출부를 구비한 헤더 튜브와 상기 매개체의 유동이 동축상으로 유동하는 적어도 하나 이상의 컬렉터 튜브를 구비하여 이루어지는 관상 컬렉터 모듈에 관한 것으로서, 상기 컬렉터 튜브는 외피관, 흡수관, 및 동축관으로 구성된다. 본 발명의 목적은 우수한 장착 성능과, 우수한 밀폐성 및 향상된 내구력을 구비한 컬렉터 모듈을 생산하는데 있다. 본 발명에 있어서, 상기 배출부에는 상기 헤더 시스템의 직경 방향으로 연장 형성된 공동(空洞)니플(접속용 파이프)이 적어도 하나 이상 구비되어 있으며, 이러한 니플에는 상기 흡수관이 동축상으로 끼워지게 되고, 적어도 하나 이상의 차폐 부재가 상기 니플과 흡수관 사이에 배치된다. 상기 유입부는 상기 동축관을 결합시키기 위한 적어도 하나 이상의 수리(受理) 부재을 구비하고 있으며, 적어도 하나 이상의 상기 동축관은 상기 니플의 내부에 동축상으로 배치되며, 상기 흡수관의 상기 헤더 시스템에서 먼쪽의 일단에 배치되는 탄성 부재에 의하여 상기 수리 부재을 향해 압박되는 것을 특징으로 한다.

컬렉터 모듈

Description

컬렉터 모듈 {Collector module}

본 발명은 열전달 매개체 유동을 위한 유입부와 배출부를 구비한 헤더 튜브(모관:母管)와 상기 매개체가 동축상으로 유동하는 적어도 하나 이상의 컬렉터 튜브를 구비하여 이루어지는 관상(管狀) 컬렉터 모듈(Collector module)에 관한 것으로서, 상기 컬렉터 튜브는 외피관(外被管), 흡수관, 및 동축관(同軸管)으로 구성된다.

열전달 매개체가 동축상으로 유동하는 상기 컬렉터 튜브는 상기 열전달 매개체가 통과하는 흡수기를 구비한 컬렉터 튜브의 일종으로서, 외피관, 흡수관, 및 동축관을 포함한다. 이러한 세개의 관(管)들은 서로의 내부에 위치되는데, 즉, 외피관이 가장 바깥쪽에 배치되며, 이 내부에 편심(偏心)하여 혹은 동축상으로 흡수관이 배치되고, 상기 흡수관의 내부에 동일축상으로 동축관이 배치된다. 상기 외피관과 상기 흡수관은 서로 차폐되어 있다. 상기 흡수관과 상기 외피관의 사이에는 불활성 가스가 충진되거나 진공상태로 구성된다. 이로 인하여, 흡수관은 외부 환경으로부터 절연된 상태가 된다. 상기 흡수관은 태양열을 흡수하기 위하여 흡수재로서 코팅되며, 이렇게 흡수된 열을 전달하기 위하여, 열전달 매개체가 상기 흡수관 내부를 유동한다. 컬렉터 튜브에서, 열전달 매개체는 양단이 개방된 형태의 동축관을 통해 유입되고, 흡수관의 일단을 통해 흡수관으로 삽입된다. 상기 흡수관의 타단은 폐쇄되어 있다. 상기 동축관의 양단 중에 흡수관 내부로 돌출되지 않은 타단은 헤더 튜브의 유입부와 연통된다. 열전달 매개체는 유입부를 통하여 상기 동축관으로 유입되며, 흡수관을 통과하여 다시 배출부로 유출된다. 이렇게 배출된 열전달 매개체는 헤더 튜브의 배출부로부터 열교환기로 이동되어 에너지 저장소에 열을 공급하게된다.

동축상으로 매개체가 유동되는 관상 컬렉터는 현재 시장에 여러 가지 형태로 출시되어 있다. 이중 널리 사용되는 관상 컬렉터는 헤더 튜브에, 유입과 배출을 위해 각각 별도의 라인을 구비하고 있으며, 이러한 유입부와 배출부로는 유동성이 있는 주름 파이프가 사용된다. 흡수관과 동축관이 상기 유입부와 배출부에 스크류 고정수단을 구비하는 클램핑 링으로 결합되어 있다. 이러한 조립구조는 매우 복잡하며, 비교적 고가이다. 또한, 유입과 배출을 위하여 별도의 라인을 사용한다는 것은 이를 위해 보다 넓은 공간이 요구된다는 것을 의미하고, 아울러, 유연한 주름 튜브가 사용되는 경우에는 이를 위한 헤더 시스템이 반드시 필요하게 된다.

상기 언급된 관상 컬렉터는 일반적으로 동일 유입부와 동일 배출부에 연결된 다수개의 컬렉터 튜브들로 이루어진 모듈 형태로 구성되며, 각각의 개별 관상 컬렉터는 이중 O-링 플러그 접속을 통하여 서로 연결, 조합될 수 있다.

현재 시장에서 유통되고 있는 다른 형태의 동축상으로 매개체가 유동되는 관 상 컬렉터에 있어서, 헤더 튜브 역시 동축상으로 매개체가 그 내부를 통하여 유동하며, 헤더 튜브의 외측관뿐만 아니라 흡수관과 동축관도 일체로 구현된다. 이러한 구조는 외피관만 흡수관으로부터 차폐되면 되는 장점이 있으나, 이러한 관상 튜브 컬렉터를 생산하는 것은 매우 복잡하다.

독일 실용신안 298 08 532 U1에는 동축상으로 매개체가 유동되는 관상 컬렉터의 또 다른 구현예가 기재되어 있다. 상기 인용문헌에서 헤더 튜브는 헤더 박스 어셈블리의 형태로 구현된다. 유입부와 배출부는 일체로 형성된 두개의 평행 도관으로 구성되며, 이러한 도관은 여러 동축관에 알맞는 적절한 다수의 개구부가 형성된 내벽에 의하여 분리된다. 동축관은 상기 개구부에 구획별로 삽입되며, 흡수관은 배출 도관과 연통되는 헤더 박스의 측벽에 형성된 개구부에 삽입되며, 외피관은 하우징의 연장부에 연결된다. 상기 세개의 튜브는 접착제를 사용하여 하우징 부분이나 헤더 박스 부분에 연결된다. 결과적으로, 보다 간결한 형태의 구성이 가능해지나, 접착제를 사용하여 이루어진 실링이 높은 열적 부하에서는 적합하지 않은 것으로 판명되었다.

독일 실용신안 299 08 190 U1에는 태양열 집적기에 사용되는 특수 클램핑 시스템이 기재되어 있다. 여기서 진공관은 열전달 순환시스템용 도관과 90℃의 각도를 이루며 접촉 교차되며, 상기 교차되는 도관들은 인장 메카니즘에 의하여 압축응력을 받는 집게를 구비한 두개의 클램핑 수단에 의하여 서로 확실하게 연결되어 있다.

독일 실용신안 297 10 494 U1은 열전달 유체의 응축과 증발을 통해 열을 전 달하는 열 파이프를 구비한 태양열 집적기에 대하여 기술하고 있다. 상기 인용문헌에서는 장치의 과열을 방지하기 위하여, 바이메탈을 이용한 차단장치가 구비되며, 이로 인하여 한계온도를 초과하는 경우 응축기로부터 증발기로의 열전달 매개체의 흐름을 억제하게 된다.

독일 특허공개 32 06 624 A1은 공기/물을 사용하는 열 전달 장치를 기초로 하는 태양 에너지 집적장치가 기재되어 있으며, 이 장치에서 복수개의 집적요소들은 서로 유체학적으로 연결되어 있다. 또한, 공기 순환을 향상시키기 위하여 송풍기가 별도로 구비된다.

국제 특허공개 WO83/3891에는 흡수관 내부에 동축관을 포함하지 않는 관상 태양열 집적기가 기재되어 있으며, 상기 태양열 집적기는 헤더 튜브에 대하여 하방향으로 경사지게 배치되어 있다. 또한, 상기 흡수관은 O-링에 의하여 헤더 튜브로부터 차폐된다.

상기 언급된 배경기술을 감안하여 안출된 본 발명의 목적은 간단한 구조와 우수한 밀폐성이 복합된 관상 컬렉터 모듈을 제공하는데 있다.

이러한 본 발명의 목적은 하기의 청구항1에 정의된 관상 컬렉터 모듈에 의하여 달성될 수 있다.

본 발명의 관상 컬렉터 모듈은 매우 간단하게 조립될 수 있다. 만약 동축관이 흡수관과 외피관에 연결되어 있지 않은 경우에, 일단 상기 동축관을 니플(접속 용 파이프)을 통과시켜 유입부의 수리(受理) 부재에 삽입한 후, 탄성 부재를 상기 흡수관의 하단부, 즉 헤더 시스템으로부터 가장 먼 부분에 배치한다. 이어서, 상기 흡수관을 상기 동축관과 상기 헤더 시스템의 접속용 파이프 사이에 삽입한다.

상기 흡수관과 상기 접속용 파이프 사이의 차폐 부재에 의하여, 열전달 매개체가 흡수관과 접속용 파이프 사이로 누설되는 것을 방지할 수 있다. 상기 흡수관의 하단부에 배치된 상기 탄성 부재는 동축관을 유입부의 수리 부재 방향으로 압축하게 된다. 이러한 구조에서, 열전달 매개체는 유입부로부터 동축관으로 유동하고, 상기 동축관의 하단부에서 흡수관으로 유동하며, 접속용 파이프와 상기 동축관 사이를 통하여 다시 배출부로 유동하게 된다.

컬렉터 튜브가 상기 흡수관에 결합되어 있지 않은 경우에는 상기 컬렉터 튜브를 상기 흡수관 위에 덮는다. 만약, 상기 흡수관과 상기 컬렉터 튜브가 견고하게 서로 결합된 상태라면 상기 흡수관과 상기 컬렉터 튜브는 동시에 동축관과 접속용 파이프 위로 덮는다.

비록, 상기 탄성 부재가 확고한 밀폐성을 제공하기는 하지만, 열전달 매개체의 원활한 유동을 보장하기 위해서는, 상기 탄성 부재는 나선형 스프링을 사용하여 구현하는 것이 바람직하다.

또한, 접속용 파이프와 흡수관 사이에 배치되는 상기 차폐 부재는 적어도 하나 이상의 O-링으로 구현하는 것이 바람직하다. 이로써, 최적의 기밀성을 달성할 수 있을 뿐만아니라 O-링은 경제적이며 설치하기 용이하다. 또한, 호적한 플라스틱을 선택함으로써, 지속적인 작동 중의 열적 부하에도 부품 수명을 최적화 할 수 있 다.

적어도 하나의 흡수관과 적어도 하나의 외피관은 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 이러한 구조는 효율적인 태양열 흡수작용을 도모하기 위하여 상기 흡수관과 상기 외피관의 사이에 충전되는 불활성 가스나 진공상태가 상기 흡수관과 상기 외피관이 결합되는 부위에서 누설되어 자주 수리를 요하는 불편함을 없앨 수 있다.

컬렉터 튜브의 외피관은 태양 광선이 투과할 수 있으며, 이를 위해 투명한 재질로 구성된다. 이러한 물질은 대개 낮은 열전도율을 가지나, 상기 외피관은 심하게 가열되지 않기 때문에, 이러한 물성이 중요하지는 않다. 바람직하게는, 상기 외피관은 유리로 구성되며, 주로 제약품의 포장 용기에 사용되는 낮은 단가에 높은 광투과성을 구비한 저철분 유리(소다석회유리 또는 붕규산염유리)를 사용하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 외피관은 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA)와 같은 투명 플라스틱으로 구성될 수 도 있다. 유리는 플라스틱에 비하여 높은 확산 저항성 및 높은 UV(자외선) 안정성을 갖으며, 반대로 플라스틱은 유리에 비하여 덜 깨지기 쉬위며, 취급도 용이하다. 대부분의 구현예에서, 상기 외피관은 반사체를 구비한다.

흡수관은 높은 열저항성(최소 250℃)을 가지며, 낮은 열전도율을 갖는 물질로 구성된다. 여기서, 낮은 열전도성을 갖는 물질이란 것은 구체적으로 열전도율이 2J/msK인 물질을 의미한다. 바람직하게, 상기 흡수관은 유리로 구성되며, 보다 바람직하게는 붕규산염 유리로 구성된다. 또한, 상기 흡수관은 고온 안정성을 갖는 플라스틱으로 구성될 수 도 있다.

상기 하나 이상의 흡수관과 상기 하나 이상의 외피관 모두 유리로 구성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 흡수관과 상기 외피관은 서로 편심된 형태로 용융 결합되는 것이 바람직하다. 유리에서 상기 용융 결합부위는 응력을 줄이기 위하여 넓은 반경으로 구성된다.

바람직한 실시예에서, 헤더 시스템은 그 내부에 길이 방향으로 배치된 금속 하나 이상의 배분판을 구비한 헤더 튜브로서 구현된다. 상기 배분판으로 인하여, 상기 헤더 튜브는 적어도 하나 이상의 유입실과 적어도 하나 이상의 배출실로 나눠지게 된다. 상기 배분판에는 상기 유입실로의 동축관 결합을 위한 수리(受理) 부재가 배치되어 있다. 이렇게 헤더 시스템을 단일 튜브 시스템으로 구현함으로써, 여기에 연결되는 컬렉터 튜브 당 연결부가 하나만으로 충분하고, 따라서, 설치가 훨씬 간단하고 헤더 튜브가 차지하는 공간도 협소화될 수 있다.

바람직하게, 상기 배분판은 금속으로 이루어져 있다. 전술한 탄성 부재에 의하여 상기 금속 배분판은 동축관에 대하여 압착된다. 만약 갑작스런 압력의 증가가 발생한 경우, 상기 배분판은 압축 스프링의 반력에 의하여 변형되게 되며, 이로 인하여 배분판과 헤더 튜브 사이에 튜브의 축방향으로 틈이 생기게 되여, 결과적으로 유입실과 배출실의 압력 평형이 유지될 수 있다.

전술한 이러한 효과는 상기 배분판을 헤더 튜브 내에서 고정시킴으로써 더욱 보강될 수 있는데, 예를 들어 상기 배분판의 반대 방향에 위치한 양단에 의하여 헤더 튜브에 고정하되, 바람직하게는 헤더 튜브의 축방향으로 양단을 고정시키는 것이 좋다.

바람직하게 상기 배분판은 하나 이상의 플랩을 구비하고 있으며, 이 플랩이 개방된 경우 하나 이상의 유입실과 하나 이상의 배출실이 연통되게 되며, 플랩이 폐쇄된 경우, 하나 이상의 유입실과 하나 이상의 배출실의 연통이 차단된다. 열전달 매개체의 유동 전에는 헤더 튜브로 압축되지 않는 상기 플랩을 통해, 전(全) 시스템의 신속한 배출이 가능해진다. 집적 과정이 시작되기 전에, 배분판 상의 상기 플랩을 통해 흡수관과 동축관 사이의 대류가 가능하게되어, 헤더 튜브에서의 열전달을 향상시키는 효과가 있다.

또 다른 형태의 바람직한 실시예에 있어서, 배분판은 헤더 튜브 내에 배치되는 내부관으로 대체된다. 이러한 내부관은 유입실을 형성하게 되며, 상기 헤더 튜브와 상기 내부관 사이의 공간은 배출실을 형성하게 된다.

한편, 상기 내부관은 실린더의 형태로 실체화되며, 유입 방향으로 그 말단부는 폐쇄되어 있다. 상기 말단 폐쇄부는 판형 또는 모자형상의 부재를 납땜이나 기타 고정 방식을 사용하여 고정시킴으로서 구현될 수 있다. 또한, 상기 내부관의 개방된 타단부는 실링 링을 통해 헤더 튜브와 차폐되어 있다. 보다 안정적인 구조를 위하여, 상기 내부관은 관통 링을 통해 말단 차단부에서 헤더 튜브에 대해 중앙으로 고정된다. 중앙 링의 개구부는 열전달 매개체가 외부로 유출될 수 있도록하는 역할을 한다.

또한, 상기 내부관은 대략 실린더의 형태로 구현되며, 유동 유입 방향의 말단부가 점점 좁아져 결국에는 폐쇄되는 형태로 구현된다. 이러한 내부관은 그 일단을 인발 형성할 수 있다. 상기 내부관의 개방 타단부는 원뿔형상의 수단으로 헤더 튜브와 차폐될 것이다.

동축관이 결합되는 수리(受理) 부재가 굴곡된 만입부를 갖는 천공이나, 상부가 개방된 볼(bowl) 형상으로 구현되는 것이 매우 바람직한 것으로 판명되었다. 즉, 이러한 형태로 구현된 상기 수리 부재는 동축관의 안내부재 역할 뿐 아니라 기밀 역할도 수행하게 된다.

관상 컬렉터 모듈이 작동하게 될 때, 배출을 위하여 상기 내부관은 차단부에 작은 개구를 형성하는 것이 바람직하다.

바람직하게, 본 발명의 관상 컬렉터 모듈은 헤더 시스템과 하나 이상의 컬렉터 튜브의 일부분이 수납되는 하우징을 구비한다. 이러한 하우징은 전체적으로 관상 컬렉터 모듈을 기계적으로 안정화시키는 역할을 한다. 또한, 외피관이 상기 하우징에 결합되는 것이 바람직하다. 상기 외피관이 상기 하우징 내에서 결합되는 부분에 환상(環狀) 홈을 형성하고, 상기 하우징 내부에 상기 환상 홈에 대응되는 환상 돌기부를 설치하거나, O-링이 삽입될 수 있는 O-링 홈을 설치함으로써 확정 결합이 구현되다. 또한 비확정 결합도 가능한데, 예를 들어 상기 하우징이 내벽에 O-링 홈을 형성하고 상기 외피관에 O-링을 장착함으로써 간단히 구현될 수 있다.

하우징에 외피관을 결합시키는 또 다른 방법으로는, 외피관에 동시에 하우징으로 삽입되는 클립, 고정링, 및 고정바를 부착하는 방법이 있다. 보다 확고한 결합을 위하여, 헤더 시스템의 둘레에 테가 배치될 수 있으며, 특히, 헤더 시스템이 헤더 튜브의 형태로 구현된 경우, 상기 테는 안전바에 고정될 수 있다. 이러한 고정 수단들은 개별 구성요소들의 열적 변화 또는 시스템에서의 과도한 압력 등에 의하여 발생하는 에너지를 흡수한다.

하나 이상의 컬렉터 튜브를 갖는 관상 컬렉터 모듈에서, 각 개별 컬렉터 튜브들은 서로 병렬적으로 연결되는 것이 바람직하며, 모든 컬렉터 튜브는 동일한 유입실로부터 열전달 매개체를 공급받게 되며, 이렇게 공급된 열전달 매개체는 모든 컬렉터 튜브로부터 동일한 배출실로 배출된다. 상기 개별 컬렉터 튜브들을 서로 직렬적으로 연결하는 것도 가능하다.

다수의 관상 컬렉터 튜브들은 헤더 시스템에 직접 장착되는 플러그-인 시스템을 통하여 서로 연통될 수 있다. 이중 O-링 시스템이 특히 바람직하며, 연결부 주위에 조임쇄를 설치하는 것도 바람직하다.

도1은 열전달 매개체의 유동을 평면적으로 도식한 본 발명에 따른 관상 컬렉터 모듈의 단면도이고,

도2a~도2g는 본 발명에 따른 관상 컬렉터 모듈의 다양한 실시예를 열전달 매개체 유동의 수직방향으로 절단한 단면도이며,

도3은 본 발명의 외피관과 하우징의 결합의 일 구현예이며,

도4a 및 도4b는 배분판을 통한 본 발명의 관상 컬렉터 모듈 내의 컬렉터 튜브들의 유체학적 연결을 도식하고 있으며,

도5a 및 도5b는 다수개의 관상 컬렉터 모듈의 연결을 도식하고 있다.

본 발명은 첨부된 도면을 참조하여 실시예를 통하여 구체적으로 기술된다.

도1은 컬렉터 튜브(3)을 구비하고 있는 관상 컬렉터 모듈(1)을 도식하고 있으며, 여기서 열전달 매개체는 유입실(9)을 통하여 각 개별 컬렉터 튜브(3)의 동축관(6)으로 이동하여 튜브의 타단에 다다르면 동축관(6)의 외부로 배출되어 각 개별 컬렉터 튜브(3)의 흡수관(5)을 거쳐 다시 상기 유입실(9)과 병렬적으로 배치된 배출실(10)으로 유동하게 된다. 여기서, 열전달 매개체는 열을 에너지로 변환하는 장치 또는 열교환기로 이송된다.

상기 유입실(9)과 상기 배출실(10)은 배분판(7)에 의하여 두쪽으로 나뉘는 헤더 튜브(2)에 의하여 형성되며, 상기 배분판(7) 상에는 동축관(6)의 결합을 위한 리벳(13)을 구비한 개구가 형성되어 있다. 상기 동축관(6)은 상기 리벳(13)에 삽입되며, 흡수관(5)의 헤더 튜브(2)로부터 먼 타단에 배치되는 스프링(11)에 의하여 상기 리벳(13)과 상기 배분판(7)을 향해 압박되어, 기밀성이 확보된다.

상기 흡수관(5)은 유리로 외피관(4)과 일체 형성된다. 흡수관(5)과 외피관(4)으로 구성되는 단위 장치는 각각 두개의 O-링을 구비하여 헤더 튜브(2) 상에 장착된 니플(접속용 파이프)(12)를 통해 결합된다. 여기서, 열전달 매개체는 니플(접속용 파이프)(12)의 내벽과 동축관(6)의 외벽 사이의 틈을 통하여 배출실(10)으로 유동한다.

도2a~도2g에서는 다양한 관상 컬렉터 모듈의 실시예에 있어, 열전달 매개체의 유동의 수직으로 컬렉터 튜브의 종단면도를 도식하고 있다. 상기 모든 실시예에서, 유입실과 배출실은 배분판(7) 또는 내부관(21)에 의하여 길이 방향으로 두개의 구역으로 나뉘어 지는 헤더 튜브에 의하여 형성된다. 두개의 분할된 부분으로 구성되는 하우징(17)이 헤더 튜브(2)의 주위에 위치된다. 또한, 상기 하우징(17)은 헤더 튜브 쪽의 외피관(4)의 일단을 파지한다.

도2a 및 도2d에 있어서, 외피관(4)은 자체에 구비된 환형 홈과 하우징(17)에 구비된 O-링 홈을 통하여 하우징(17)에 확정결합 된다. 밀폐용 O-링(15)이 상기 환형 홈(14)과 상기 하우징의 O-링 홈 사이에 배설된다. 도2c 에서도, 외피관(4)는 마찬가지로 하우징(17)에 확정 결합된다. 상기 외피관(4)는 환상 홈(14)를 구비하고 있으며, 하우징(17)은 상기 환상 홈(14)에 대응되는 환상 돌기(18)를 구비하고 있다. 또한, 도 2b에서 도식한 바와같이, 외피관(4)와 하우징(17) 사이의 결합은 비확정 결합 방식으로도 구현될 수 있다. 이런 경우, O-링(15)이 하우징(17) 내의 O-링 홈에 배치되나, 외피관(4)에는 이에 대응하는 환상 홈이 존재하지 않는다.

도2e~도2g에 도식된 실시예에서는, 다양한 방식으로 외피관(4)을 하우징(17)또는 헤더 튜브(2)에 고정하는 방법이 개시되어 있다. 클립(25)가 외피관(4)의 환상 홈(14)에 배치되고, 상기 클립(25)은 고정 링(24)에 의하여 개방이 방지된다. 클립(25)의 헤더 튜브(2)로부터 먼쪽에는 걸림턱(26)이 형성되어 있다. 상기 외피관(4)는 클립(25) 및 고정 링(24)와 함께 고정 바(27) 내부로 삽입되며, 상기 걸림턱(26)에 의하여 전체 시스템이 상기 고정 바(27)에 의하여 고정된다. 또한, 상기 고정 바(27)에는 다수의 천공이 형성되어 헤더 튜브(2)의 열적 팽창이 발생하는 경우, 상기 외피관(4)이 충분한 동적 자유도를 갖을 수 있도록 구성되어 있다. 따라서, 길이 방향의 변화, 특히 상기 헤더 튜브(2)의 길이 변화에 의하여 발생되는 길 이 방향의 변화가 적절히 보상될 수 있다.

컬렉터 튜브와 헤더 튜브(2) 및 흡수관(5)과 동축관(6) 사이에서의 서로 분리되려는 힘은 시스템 내의 과도한 압력에 의하여 발생된다. 이러한 이탈력을 제어하기 위해서 고정 바(27)가 버팀테(28)에 의하여 단단히 고정된다. (도2g 참조) 이를 위하여, 상기 버팀테(28)은 너트(30)를 사용하여 상기 고정 바(27)에 위치 고정된다. 이렇게 구성된 관상 컬렉터 모듈은 하우징(17)을 구성하는 하우징 외벽(23)과 절연체(22) 내부에 배치되게 된다.

이러한 고정 방식의 중요한 장점 중 하나는 개별 구성요소들에게 모든 방향으로 동적 자유도를 부여함으로써, 관상 컬렉터 튜브의 장착시 응력이 발생하는 것을 방지할 수 있다. 또한, 도2a~도2g에 나타낸 모든 실시예들은 기존에 장착된 개별 컬렉터 튜브들을 쉽게 교체할 수 있다는 장점이 있다.

상기 모든 실시예에서, 흡수관의 기밀성은 헤더 튜브(2)에 남땜을 통하여 고정되고, 그 내부에 두개의 O-링(15)을 구비한 니플(접속용 파이프)(12)에 의하여 이루어지며, 상기 O-링(15) 위에서 상기 흡수관은 반전된다. 도2a 내지 도2d에 도식된 실시예에 있어서, 상기 흡수관(5) 내부에 배치되는 동축관(6)은 배분판(7)에 배설되는 리벳(13) 또는 상기 배분판(7)이 금속인 경우, 이러한 배분판(7)을 인발하여 형성한 수리(受理) 부재(20)에 의하여 결합된다. 배분판(7), 수리 부재(20) 또는 리벳(13)에서의 컬렉터 튜브 기밀성 유지와 위치 고정을 위하여, 동축관(6)은 상기 수리 부재(20)나 리벳(13) 방향으로, 흡수관(5)의 타단, 즉, 헤더 튜브(2)로 부터 먼 쪽의 일단에 배치되는 스프링에 의하여 편향 지지된다. 상기 배분판(7)이 플라스틱으로 구성된 경우, 도 2d에 도식된 바와 같이, 상기 동축관(6)은 배분판에 구성된 수리 부재 쪽으로 스프링에 의하여 압박 지지된다.

도2e 내지 도2g에서 도식된 바와 같이, 내부관(21)을 구비한 여러 가지 변형된 형태에 있어서, 동축관(6) 결합을 위한 수리부재(20)는 도2e와 같이 저면이 관통된 볼(bowl)의 형태나 혹은 도2f와 2g에서 나타낸 것과 같이 단순히 절곡된 만입부를 갖는 천공의 형태로 구현될 수 있다. 결과적으로 상기 동축관(6)는 결합시 상기 수리 부재(20)에 의하여 안내되고 밀폐되게 된다.

도2a 내지 도2g에서 도식된 모든 실시예에서, 주된 고려 대상은 개별 관상 컬렉터 모듈을 서로 간단히 밀어 넣음으로써 기밀을 유지하면서 서로 결합시킬 수 있도록 하는 것이다.

도3 에서는 외피관(4)와 하우징(17) 사이에서 연결이 어떤 방식으로 확정 결합 형태로 구현되는지 다시 한번 도식되어 잇다. 여기서 확정 결합은 상기 외피관(4)에 형성된 환상 홈(14)에 결합되는 환상 돌기(18)를 구비하여 이루어질 수 있다. 외부와 차폐하기 위하여, 상기 하우징(17)에는 O-링(15)을 수납하기 위한 홈(16)이 형성되어 있다. 이러한 O-링(15)들은 상기 외피관(4)의 외벽 쪽을 향해 압박되며, 이로 인하여 상기 하우징(17)과 상기 외피관(4) 사이의 기밀성이 유지된다.

도4에는 14개의 컬렉터 튜브(3a) 및 (3b)를 구비한 관상 컬렉터 모듈이 도식되어 있다. 유입실(9a) 및 (9b)와 배출실 (10a)및 (10b)가 두개의 배분판(7a, 7b)에 의하여 여러 구획으로 분할된 헤더 튜브(2)에 의하여 형성되어 있다.

열전달 매개체의 유입방향으로 첫번째의 제1 유입실(9a)을 통해 최초 7개의 컬렉터 튜브(3a)에 열전달 매개체가 공급된다. 상기 열전달 매개체는 배출실(10a)를 통해 7개의 컬렉터 튜브(3a)로부터 배출된다. 즉, 상기 7개의 컬렉터 튜브(3a)는 서로 병렬적으로 연결되어 있다.

열전달 매개체는 상기 배출실(10a)로부터 제2 유입실(9b)로 방출된다. 유입실(9b)를 통해, 열전달 매개체가 나머지 7개의 컬렉터 튜브(3b)로 공급된다. 이렇게 유입된 열전달 매개체는 7개의 컬렉터 튜브(3b)를 통과하여 제2차 배출실(3b)를 거쳐 배출된다. 상기 열전달 매개체는 플러그 컨넥터(19)를 통해 추가적으로 잔열을 이용하기 위하여 이송된다.

도4a에 도식된 관상 컬렉터 모듈(1)에 있어서, 각각의 일곱개의 컬렉터 튜브들은 하나의 단위 집합을 이루기 위하여 각각 병렬적으로 연결되어 있으며, 이렇게 구성된 단위 집합들은 서로 직렬적으로 연결된다. 결과적으로, 컬렉터 튜브(3b)로 구성되는 제2차 단위 집합으로 유입되는 열전달 매개체는 이미 컬렉터 튜브(3a)로 구성되는 제1차 단위 집합을 지나면서 예열된 상태이기 때문에 보다 효과적인 열적 자원의 활용이 가능해진다.

상기 제1 유입실(9a)는 플랩(8)에 의하여 제2 유입실(9b)와 차단되어 있다. 이러한 플랩(8)은 도4b에서 자세하게 확대 도식되어 있다. 헤더 튜브(2)에서 상기 플랩(8)은 열전달 매개체의 유동에 의하여 압착되도록 배치되어 있기 때문에, 상기 제1 유입실(9a)는 기밀적으로 제2 유입실(9b)와 격리된다. 열전달 매개체를 관상 커렉터 모듈(1)에 채울때, 상기 플랩(8)은 개방되어 전체 관상 컬렉터 모듈이 신속 하게 순환될 수 있도록 한다.

도5a에서는 헤더 시스템이 헤더 튜브(2)와 내부관(21)로 구현되는 관상 컬렉터 모듈(1)이 도식되어 있다. 상기 내부관(21)은 유입실(9)를 형성하며, 상기 헤더 튜브(2)와 내부관(21) 사이의 공간은 배출실(10)을 형성한다. 상기 유입실(9)는 차폐 링(31)과 용접된 캡(32)을 통하여 배출실(10)과 격리된다. 내부관(21)의 기계적 안정성을 도모하기 위하여, 상기 용접된 캡(32)으로 밀봉된 상기 내부관(21)의 일단에 중앙 링(29)가 배치된다. 상기 중앙 링(29)는 다수의 개구를 구비하여 열전달 매개체가 원활하게 배출실(10)로 유동될 수 있도록 구성되어 있다. 관상 컬렉터 모듈(1)은 연결부재(35)를 통하여 서로 연결될 수 있다. 도5a에 도식된 상기 연결부재(35)는 관상 컬렉터 모듈(1)의 헤더 튜브(2)에 견고하게 결합되어 있다. 각 연결 부재(35)는 3개의 홈을 구비하고 있으며, 이 중 2개는 각각 O-링(15)을 수납하고, 마지막 하나의 홈에는 클램프(30)가 배치되게 된다. 상기 두개의 O-링(15)이 밀폐 기능을 위하여 배설된 반면, 도5a 하단에 확대 도식된 측면도의 상기 클램프(30)는 실질적으로 하나의 관상 컬렉터 모듈(1)을 다른 관상 커렉터 모듈에 고정시키기 위한 목적으로 설치된다. 상기 클램프(30)으로 인하여, 관상 컬렉터 모듈은 서로 견고히 고정되어 의도하지 않은 분리 이탈이 방지된다.

도5b에서도, 두개의 관상 컬렉터 모듈(1)이 서로 연결된 형태로 도식되어 있는데, 이러한 관상 컬렉터 모듈(1)의 헤더 튜브(2)와 내부관(21)은 내부 고압 성형 방식으로 제작되었다. 상기 내부관(21)의 일단은 원추형 부재(33)를 통해 상기 헤더 튜브(2)와 차폐되어 있는 한편, 타단은 점차 좁아지는 형태로 폐쇄되어 있다. 따라서, 상기 내부관(21)은 유입실(9)를 형성하게 된며, 이러한 내부관(21)과 헤더 튜드(2) 사이의 공간은 배출실(10)을 형성하게 된다. 역시, 두개의 관상 컬렉터 모듈(1) 사이에 배치되는 연결 부재(35)는 이중 O-링 플러그 인 연결방식을 채택하고 있다. 상기 내부관의 원추형 부재(33)가 배치되는 일단에는 O-링을 수납하기 위한 내부 홈이 형성되어 있으며, 이러한 일단은 O-링(15)과 함께 다른 관상 컬렉터 모듈(1)의 내부관 양단 중에서 폐쇄된 일단에 별도의 기계적 구성없이 끼워지게 된다.

특정 실시예와 상관없이, 상기 내부관(21)은 열전달 매개체의 유동방향으로 후단부에 미세한 개구(開口)를 구비할 수 있는데, 이러한 개구는 컬렉터가 작동하기 시작할 때 관상 컬렉터 모듈(1)에서의 신속한 배출을 가능하게 한다.

Claims

열전달 매개체의 유입부(9) 및 배출부(10)을 구비하는 헤더 시스템(2)과, 외피관(4), 흡수관(5) 및 동축관(6)으로 이루어지며, 열전달 매개체가 동축상으로 유동되는 적어도 하나 이상의 컬렉터 튜브(3)로 구성되는 관상 컬렉터 모듈에 있어서,

상기 배출부(10)에는 상기 헤더 시스템(2)의 직경 방향으로 연장 형성된 공동(空洞) 니플(접속용 파이프)(12)이 적어도 하나 이상 구비되어 있으며, 이러한 니플(12)에는 상기 흡수관(5)이 동축상으로 끼워지게 되고, 적어도 하나 이상의 차폐 부재 (15)가 상기 니플(12)과 흡수관(5) 사이에 배치되며;

상기 유입부(9)는 상기 동축관(6)을 결합시키기 위한 적어도 하나 이상의 수리(受理) 부재(13, 20)을 구비하고 있으며;

적어도 하나 이상의 상기 동축관(6)은 상기 니플(12)의 내부에 동축상으로 배치되며, 상기 흡수관(5)의 상기 헤더 시스템(2)에서 먼쪽의 일단에 배치되는 탄성 부재(111)에 의하여 상기 수리 부재(13, 20)을 향해 압박되는 것을 특징으로 한다.
제 1항에 있어서, 상기 탄성 부재는 스프링(11)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 1항 또는 제2 항에 있어서, 상기 하나 이상의 차폐 부재는 적어도 하나 이상의 O-링(15)으로 구현되는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡수관(5)과 상기 하나 이상의 외피관(4)이 일체로 구성되는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 1항에 있어서, 상기 하나 이상의 흡수관(5)과 상기 하나 이상의 외피관(4)이 유리로 구성되는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 1항에 있어서, 상기 헤더 시스템은 헤더 튜브(2)로 구현되며, 상기 헤더 튜브(2)의 내부에는 길이 방향으로 적어도 하나 이상의 배분판(7)이 배설되어, 상기 헤더 튜브(2)를 적어도 하나 이상의 유입실(9)와 적어도 하나 이상의 배출실(10)로 분할하게 되고, 상기 배분판(7)은 상기 동축관(6)을 결합하기 위한 적어도 하나 이상의 수리 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 6항에 있어서, 상기 배분판(7)은 금속으로 제조되는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 1항에 있어서, 상기 헤더 시스템은 헤더 튜브(2)로 구현되며, 상기 헤더 튜브(2)의 내부에는 길이 방향으로 동축상에 내부관(21)이 배설되어, 상기 헤더 튜브(2)를 적어도 하나 이상의 유입실(9)와 적어도 하나 이상의 배출실(10)로 분할하게 되고, 상기 내부관(21)은 상기 동축관(6)을 결합하기 위한 적어도 하나 이상의 수리 부재(13, 20)를 구비하는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 8항에 있어서, 상기 내부관(21)은 실린더 형상으로 구현되며, 그 중에 매개체의 유입 방향의 후단이 폐쇄된 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 8항에 있어서, 상기 내부관(21)의 개방단이 차폐 링(31)에 의하여 헤더 튜브(2)와 차폐된 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 8항에 있어서, 상기 내부관(21)은 폐쇄단 쪽에서 관통 링(29)에 의하여 헤더 튜브(2)에 대하여 중앙 배치되는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 8항에 있어서, 상기 내부관(21)은 대략 실린더 형상으로 구현되고, 상기 내부관(21)의 양단 중에 열전달 매개체의 유입 유동의 방향으로 볼때 후단부가 점차 좁아지다가 결국 선단에서 폐쇄되는 형태로 구성되는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 8항에 있어서, 상기 내부관(21)의 개방단은 원추형 부재(33)에 의하여 상기 헤더 튜브(2)와 차폐되는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 8항에 있어서, 상기 하나 이상의 수리 부재(13, 20)은 절곡된 만입부를 구비한 천공의 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 8항에 있어서, 상기 하나 이상의 수리 부재(13, 20)은 개방형 볼(bowl)의 형태로 구현되는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 1항에 있어서, 상기 헤더 시스템(2)과 상기 적어도 하나 이상의 컬렉터 튜브(3)의 일부분이 수용되는 하우징(17)을 구비한 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.
제 16항에 있어서, 외피관(4)이 하우징(17)에 결합되는 것을 특징으로 하는 관상 컬렉터 모듈.