KR100859777B1

KR100859777B1 - 내부 분배 헤더를 이용한 직접 열교환 방식 단일 진공관형태양열 집열기

Info

Publication number: KR100859777B1
Application number: KR1020070064176A
Authority: KR
Inventors: 송규섭; 김광수
Original assignee: 주식회사 에이팩
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2008-09-23

Abstract

본 발명은 내부 분배 헤더를 이용한 직접 열교환 방식 단일 진공관형 태양열 집열기에 관한 것으로, 그 기술적 요지는 매니폴드 내에 집열기로 유량을 분배시키는 별도의 분배헤더를 설치하여 일정한 유량이 분배되도록 조장함은 물론 내부 분배 헤더에서 분배된 열매체는 집열기와 직접 열교환됨으로써 단일 진공관형으로 집열기와 열매체 간의 열저항을 최소화시켜 집열효율을 증대시키며, 상기 집열기와 열교환된 열매체는 분배헤더의 외부관인 집열관을 통하여 매니폴드로 다시 유입된 후 다른 집열기의 입구 또는 판형 열교환기에 의해 축열조와 열교환됨으로써 신속하고 안정적인 태양열 집열을 도모할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 내부 분배 헤더를 이용한 직접 열교환 방식 단일 진공관형 태양열 집열기에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 진공관형 태양열 집열기에 있어서, 유입된 열매체가 직접 열교환되도록 내부가 밀폐된 메인관(110)과, 상기 메인관(110)의 일측단에 형성되어 연통되는 배수관(120)과, 상기 배수관(120)과 직교되도록 형성되되 메인관(110) 일측 선단으로 다수개의 집열관(130)이 등간격 배열되도록 구비되는 매니폴드(100)와; 상기 매니폴드의 메인관(110) 내측으로 수납되도록 배수관(120)의 반대 측벽에서 메인관(110) 내부로 관통, 삽입되되 유입된 일측단이 밀폐되는 공급관(210)과, 상기 공급관(210)의 진행방향에 대해 직교되도록 형성되어 집열관(130) 마다 대응되어 수납되고 상기 수납된 하단부(221)가 개구되되 집열관(130)의 밀폐 된 일측벽과 설정된 간격만큼 이격되도록 다수개의 열교환관(220)이 구비되는 분배헤더(200)가; 구성되어 이루어지는 한편, 이에 상기 매니폴더의 집열관(130)과 분배헤더의 열교환관(220)의 내외경 사이 공간에는 유입된 열매체가 매니폴드의 배수관(120)까지 직접 열교환을 이루며 단일 진공관 방식으로 배수되도록 열매체이송로(300) 및 열매체이송공(400)이; 형성되어 이루어진다.

따라서, 본 발명은 매니폴더 내에 형성된 별도의 분배헤더에 의해 열매체의 일정한 유입량 분배가 용이하고, 이에 따라 집열기와 열매체간의 열교환시 열저항 발생이 최소화되어 집열효율이 증대되는 한편, 상기 열교환된 열매체는 다른 집열기 및 판형 열교환기를 통하여 축열탱크과 추가 열교환이 가능하도록 형성되는 바, 이는 태양열을 이용한 진공관형 집열 시스템으로써 생산성이 크게 향상되는 효과가 있다.

매니폴더, 분배헤더, 집열기, 진공관, 열교환, 축열탱크, 열매체

Description

내부 분배 헤더를 이용한 직접 열교환 방식 단일 진공관형 태양열 집열기{Vacuum-tube type concentrating solar collector for header of distribution}

도 1은 본 발명의 설치 상태를 나타낸 일측 단면도,

도 2는 본 발명의 요부를 나타낸 일측 단면도,

도 3은 도 2의 열교환 시스템을 나타낸 개략적 실시예시도,

도 4는 종래의 평판형 태양열 집열기를 나타낸 예시도,

도 5는 종래의 진공관형 태양열 집열기를 나타낸 예시도,

도 6은 종래의 다른 진공관형 태양열 집열기를 나타낸 예시도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 간단한 설명>

100 ... 매니폴드 110 ... 메인관

120 ... 배수관 130 ... 집열관

200 ... 분배헤더 210 ... 공급관

220 ... 열교환관 221 ... 하단부

300 ... 열매체이송로 400 ... 열매체이송공

일반적으로 태양열을 이용한 집열기는 크게 평판형과 진공관형으로 크게 구분된다.

이에 상기 평판형 태양열 집열기는 도 4에 도시된 바와 같이, 몸체가 사각형상의 평판 형태로 이루어진 것으로, 구리나 알루미늄 등을 이용하여 제작된 얇은 금속판에 태양 광선을 최대한 흡수할 수 있도록 표면을 특수 화공처리한 집열판을 형성하는 한편, 상기 집열판의 일측 표면에 동재질인 다수개의 가는 지관을 일정간격으로 용접시켜서 사각형상의 틀체 내에 삽입시키고 그 상부로 투명덮개를 씌어 일체의 집열기를 형성하게 된다.

이러한 종래의 평판형 태양열 집열기는 태양 광선이 일차적으로 집열판을 가열시키게 되고, 가열된 집열판은 일측에 형성된 지관 내부 열매체에 열에너지를 전달하게 되며, 상기 열교환된 열매체는 집열기의 본관에서 합류되어 축열조나 열교환기에 집열된 열에너지를 제공하도록 형성된다.

이때, 상기 평판형 태양열 집열기는 물을 직접 가열하여 이용하는 경우도 있지만 동절기 및 혹한기가 존재하는 지역에서는 물보다는 부동액을 열매체로 사용하여 집열기를 통과하면서 부동액이 2차적으로 물을 가열시키는 방식을 적용하고 있다.

그러나 이와 같은, 종래의 평판형 태양열 집열기는 주로 집열판의 상부에 투명덮개를 사용함에도 불구하고, 열매체의 열교환시 대류현상에 의한 외부로의 열손실이 크게 발생되어 집열효율이 통상 50% 이하로 낮아 60~70℃ 이상의 온도 영역에서는 사용이 제한되는 등 기능적인 문제를 비롯한 적지 않은 문제가 발생되고 있다.

한편, 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 종래의 진공관형 태양열 집열기는 유리튜브 형상을 하고 있으며 태양열 집열 표면과 접하는 폐쇄된 공간을 진공 처리하여 대류에 의한 열손실을 차단시킬 수 있게 형성된다.

이때, 상기 진공관형 태양열 집열기는 도시된 바와 같이, 하나의 유리튜브를 사용하는 방법과 2개의 유리튜브를 사용하는 이중 진공관 형태의 방법으로 구분된 다.

먼저, 하나의 유리튜브를 사용하는 방법은 유리튜브 내부에 히트파이프가 장착된 집열판을 삽입시키고, 상기 유리튜브의 상단으로 히트파이프를 돌출시킨 상태에서 금속 재질의 마개로 밀폐시키고, 그 내부를 진공 처리함으로써 집열판 표면으로부터 집열된 태양열이 대류에 의해 외부로 손실되는 것을 차단시키게 된다.

이와 같은 형태의 진공관형 태양열 집열기는 유리튜브의 상단을 금속재질의 마개로 밀봉시킴에 있어서 유리와 금속의 접합문제로 인하여 상당히 복잡한 공정이 요구되며 이로 인한 내구성 및 경제성의 문제가 발생되고 있다.

또한, 2개의 유리튜브를 이중 진공관의 형태로 사용하는 방법은 외부튜브와 태양열 집열을 위해 특수 표면 처리된 집열튜브 사이공간을 진공으로 처리한 이중관을 형성하고, 상기 집열튜브의 내측으로 물을 채우며 이중관의 상부를 단열마개로 밀봉시켜 집열튜브 내측에 채워진 물을 데우도록 형성됨으로써 태양에너지를 집열하는 방식이다.

이때, 상기 외부튜브와 집열튜브 사이 공간에는 진공 처리로 인해 공기의 대류에 의한 외부로의 열손실을 차단시키게 된다.

그러나 상기와 같은 방식은 집열기 본체의 제작에는 큰 문제가 없으나 물(열매체)을 집열튜브 내에 직접 채워서 가열(집열)시 동절기 및 혹한기에 동파의 위험이 발생된다.

또한, 외부튜브와 집열튜브의 재질이 유리재로 제작되어 축열조와 직접 접속되는 바, 상기 외부튜브 또는 집열튜브 중의 어느 하나가 파손되면 축열조의 물이 파손된 튜브 측으로 누수되는 문제가 발생된다.

아울러, 집열튜브 내부로 히트파이프 등의 전열장치를 장착할 수도 있으나 이 경우 집열판에서 전열장치까지 열에너지가 전달될 때 집열판과 전열장치가 완벽하게 접촉되지 않으면 집열효율이 저하되는 등 제작과정 및 시설관리가 까다로운 문제가 발생되고 있다.

본 발명은 상술한 문제점을 해결하고자 하는 것으로, 그 기술적 요지는 매니폴드 내에 집열기로 유량을 분배시키는 별도의 분배헤더를 설치하여 일정한 유량이 분배되도록 조장함은 물론 내부 분배 헤더에서 분배된 열매체는 집열기와 직접 열교환됨으로써 단일 진공관형으로 집열기와 열매체 간의 열저항을 최소화시켜 집열효율을 증대시키며, 상기 집열기와 열교환된 열매체는 분배헤더의 외부관인 집열관을 통하여 매니폴드로 다시 유입된 후 다른 집열기의 입구 또는 판형 열교환기에 의해 축열조와 열교환됨으로써 신속하고 안정적인 태양열 집열을 도모할 수 있도록 형성되는 것을 특징으로 하는 내부 분배 헤더를 이용한 직접 열교환 방식 단일 진공관형 태양열 집열기를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 진공관형 태양열 집열기에 있어서, 유입된 열매체가 직접 열교환되도록 내부가 밀폐된 메인관(110)과, 상기 메인 관(110)의 일측단에 형성되어 연통되는 배수관(120)과, 상기 배수관(120)과 직교되도록 형성되되 메인관(110) 일측 선단으로 다수개의 집열관(130)이 등간격 배열되도록 구비되는 매니폴드(100)와; 상기 매니폴드의 메인관(110) 내측으로 수납되도록 배수관(120)의 반대 측벽에서 메인관(110) 내부로 관통, 삽입되되 유입된 일측단이 밀폐되는 공급관(210)과, 상기 공급관(210)의 진행방향에 대해 직교되도록 형성되어 집열관(130) 마다 대응되어 수납되고 상기 수납된 하단부(221)가 개구되되 집열관(130)의 밀폐된 일측벽과 설정된 간격만큼 이격되도록 다수개의 열교환관(220)이 구비되는 분배헤더(200)가; 구성되어 이루어진다.

이때, 상기 매니폴더의 집열관(130)과 분배헤더의 열교환관(220)의 내외경 사이 공간에는 유입된 열매체가 매니폴드의 배수관(120)까지 직접 열교환을 이루며 단일 진공관 방식으로 배수되도록 열매체이송로(300) 및 열매체이송공(400)이; 형성되어 이루어진 것이 바람직하다.

다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.

먼저 도 1 내지 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명은 단일 진공관 형태로써 유입된 열매체가 직접적으로 열교환을 일으키도록 매니폴드(100) 내에 별도의 분배헤더(200)를 일체(단일 진공관 형태)로 구성하여 집열기로 일정한 유량을 분배시키는 한편, 분배된 열매체 유량은 집열판(20)와 열저항이 최소화되어 집열 효율이 증대되도록 유리진공관(10) 내에 구성된다.

즉, 본 발명은 진공상태를 유지하는 유리진공관(10) 내에서 유입된 열매체가 2중관으로 형성된 집열공급관(130)과 열교환관(220)으로 하여금 유통 경로과정에서 집열판(20)에 의해 보다 신속하고 균일한 열교환이 이루어지도록 형성된다.

이에 상기 매니폴드(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 내부가 밀폐된 메인관(110)과, 상기 메인관(110)의 일측단에 형성되어 연통되는 배수관(120)과, 상기 배수관(120)과 직교되도록 형성되되 메인관(110) 일측 선단으로 다수개의 집열관(130)이 등간격 배열되도록 구성된다.

즉, 상기 메인관(110)은 외부와의 열교환 성능을 향상시키도록 진공관 형태로써, 상기 메인관(110) 일측에 형성되는 배수관(120)은 별도의 집열기의 유입구 또는 판형 열교환기를 통한 축열탱크와 열교환되도록 형성된다.

이때, 상기 집열관(130)은 다수의 모세관을 이루도록 형성되는 것으로, 이는 후술되는 분배헤더의 열교환관(220)과 대응되도록 형성된다.

이때, 상기 집열관(130)은 설정된 설계값에 의해 분배헤더의 열교환관 (220)외경보다 내경이 소폭 확장되어 이루어지는 것이 바람직하다. 이는 열교환관(220)과 결합시 후술되는 열매체이송로(300)와 열매체이송공(400)을 형성하기 위함이다.

한편, 상기 분배헤더(200)는 매니폴드의 메인관(110) 내측으로 수납되도록 배수관(120)의 반대 측벽에서 메인관(110) 내부로 관통, 삽입되되 유입된 일측단이 밀폐되는 공급관(210)과, 상기 공급관(210)의 진행방향에 대해 직교되도록 형성되어 집열관(130) 마다 대응되어 수납되고 상기 수납된 하단부(221)가 개구되되 집열관(130)의 밀폐된 일측벽과 설정된 간격만큼 이격되도록 다수개의 열교환관(220)이 구비되는 분배헤더(200)가; 구성되어 이루어진다.

즉, 상기 분배헤더(200)는 매니폴드의 메인관(110) 및 집열관(130)과 함께 단일 진공관 형태를 이루도록 형성되는 것으로, 이는 유입된 열매체가 이송된 분배헤드의 공급관(210) -> 분배헤드의 열교환관(220) -> 열매체이송로(300) -> 열매체이송공(400) -> 매니폴드의 메인관(110) -> 배수관(120)의 경로로 이송되며, 이는 집열기로 하여금 직접 열교환되며 열손실을 최소화하고 이에 집열효율이 증대되도록 형성된다.

이때, 상기 분배헤더의 열교환관 하단부(221)는 매니폴드의 집열관(130) 밀폐된 측벽(바닥면)과 소폭 이격되어 유입된 열매체가 상기 집열관으로 유통될 수 있도록 형성된다.

즉, 상기 열매체가 분배헤더의 열교환관(220)에서 매니폴드의 집열관 사이 공간부인 열매체이송로(300)로 유량이 일정하게 분배되도록 형성된다.

다시 말해, 상기 매니폴더의 집열관(130)과 분배헤더의 열교환관(220)의 내외경 사이 공간에는 유입된 열매체가 매니폴드의 배수관(120)까지 직접 열교환을 이루며 단일 진공관 방식으로 배수되도록 열매체이송로(300) 및 열매체이송공(400)이; 형성되어 이루어진 것이 바람직하다.

이때, 상기 열매체이송로(300) 및 열매체이송공(400)은 매니폴드(100)와 분배헤더(200)를 연통시키도록 단일관 형태로 형성함으로써, 경유하는 열매체의 분배 흐름을 조장하는 한편, 진공상태가 지속적으로 유지되어 집열기와의 열교환시 열매체 간의 열저항이 최소화되도록 형성된다.

한편, 상기 열매체이송로(300)는 외측관인 집열관(130)과 내측관인 열교환관(220)으로 인해 형성된 사이 공간부로써 그 간격은 1~5mm 이내로 형성되되 가장 바람직하게는 3.5mm 인 것이 바람직하다. 이는 열매체의 신속한 순환 이송량 대비 집열판에 의한 열교환 효율이 가장 높기 때문이다.

다음은 상술한 구성에 따라 본 발명의 일 실시 작용예를 설명하겠다.

도 3에 도시된 바와 같이, 최초 저온 상태의 열매체(예컨데, 물/시수)가 매니폴드(100)의 외부인 분배헤더의 공급관을 통해 매니폴드 내측으로 유입된다.

이때, 상기 매니폴드 내측에 수용된 분배헤더의 공급관은 관통되어 수납된 단부측이 밀폐되도록 형성되며, 상기 공급관의 외경은 매니폴드의 메인관 내경보다 좁은 단면적을 형성함으로써, 이들 공급관 및 메인관 내외경 사이에는 일정한 공간부가 형성된다.

이는 집열기에 의해 열교환이 모두 진행된 열매체가 일정량 체류하며 타측 집열기 또는 판형 열교환기로 배수되기 전에 새로 유입되는 열매체를 일정부분 예열하도록 선행된 열교환을 유도하게 된다.

이때, 상기 분배헤덩의 공급관 일측 선단에는 열매체가 진행된 방향에 대해 직교되는 측으로 다수개의 열교환관이 모세관 형태로 분기된다.

이에 유입된 열매체는 상기 열교환관을 통해 일정한 유량으로 분배되는 바, 이는 집열기와 열교환시 열저항을 최소화하며 열적 응답성이 신속하도록 유도하기 위함이다.

이때, 상기 열교환관의 하단부는 개구되어 있으며, 상기 하단부를 포함한 열교환관은 매니폴드의 집열관 내부에 수납된 상태로 열매체가 진공상태를 유지하며 집열기에 의해 열교환되도록 조장하게 된다.

즉, 상기 하단부가 개구된 열교환관 외경과 열교환관을 수납한 집열관 사이 공간에는 열매체이송로가 형성되는 바, 이는 매니폴드의 메인관과 연통되는 열매체이송공과 함께 열교환된 열매체가 신속하고 안정적으로 이송되도록 조장하게 된다.

즉, 상기 열매체이송로 및 열매체이송공을 경유하는 열매체는 집열기로부터 직접 열교환을 일으키며 최적의 집열효율을 발생시키고 이는 매니폴드의 메인관을 거쳐 배수관으로 배수된다.

이때, 상기 배수관을 통해 배수된 열매체는 다른 집열기의 입구로 유입되거나 판형 열교환기를 통하여 축열탱크와 열교환을 일으키도록 형성됨으로써 열교환 효율이 증대되는 장점이 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

이와 같이, 본 발명은 매니폴더 내에 형성된 별도의 분배헤더에 의해 열매체 의 일정한 유입량 분배가 용이하고, 이에 따라 집열기와 열매체간의 열교환시 열저항 발생이 최소화되어 집열효율이 증대되는 한편, 상기 열교환된 열매체는 다른 집열기 및 판형 열교환기를 통하여 축열탱크과 추가 열교환이 가능하도록 형성되는 바, 이는 태양열을 이용한 진공관형 집열 시스템으로써 생산성이 크게 향상되는 효과가 있다.

Claims

진공관형 태양열 집열기에 있어서,

유입된 열매체가 직접 열교환되도록 내부가 밀폐된 메인관(110)과, 상기 메인관(110)의 일측단에 형성되어 연통되는 배수관(120)과, 상기 배수관(120)과 직교되도록 형성되되 메인관(110) 일측 선단으로 다수개의 집열관(130)이 등간격 배열되도록 구비되는 매니폴드(100)와;

상기 매니폴드의 메인관(110) 내측으로 수납되도록 배수관(120)의 반대 측벽에서 메인관(110) 내부로 관통, 삽입되되 유입된 일측단이 밀폐되는 공급관(210)과, 상기 공급관(210)의 진행방향에 대해 직교되도록 형성되어 집열관(130) 마다 대응되어 수납되고 상기 수납된 하단부(221)가 개구되되 집열관(130)의 밀폐된 일측벽과 설정된 간격만큼 이격되도록 다수개의 열교환관(220)이 구비되는 분배헤더(200)가;

구성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 내부 분배 헤더를 이용한 직접 열교환 방식 단일 진공관형 태양열 집열기.
제 1항에 있어서,

상기 매니폴더의 집열관(130)과 분배헤더의 열교환관(220)의 내외경 사이 공간에는 유입된 열매체가 매니폴드의 배수관(120)까지 직접 열교환을 이루며 단일 진공관 방식으로 배수되도록 열매체이송로(300) 및 열매체이송공(400)이;

형성되어 이루어진 것을 특징으로 하는 내부 분배 헤더를 이용한 직접 열교환 방식 단일 진공관형 태양열 집열기.