KR100873898B1

KR100873898B1 - 태양열 집열기용 헤더 유니트

Info

Publication number: KR100873898B1
Application number: KR1020070064110A
Authority: KR
Inventors: 한영태
Original assignee: 주식회사 춘천에이취피; 한영태
Priority date: 2007-06-28
Filing date: 2007-06-28
Publication date: 2008-12-15

Abstract

본 발명은 태양 에너지의 효율적인 열수송을 위해 히트 파이프로 작용하는 구조체를 일체로 제작한 것으로써, 헤드 파이프의 내부에 수평관이 배치되고, 헤드 파이프를 통과하는 유체가 고온의 수평관과 열교환이 이루어져, 수평관의 열손실을 방지할 수 있는 태양열 집열기용 헤더 유니트에 관한 것이다.

본 발명에 따른 태양열 집열기용 헤더 유니트는 양단이 밀폐된 수평관(60)에 다수개의 장착구멍(61)이 일렬로 나란하게 형성되고, 상기 수평관(60)의 장착구멍(61)에 둘레에 림(62 ; rim)이 각각 형성되고, 헤드 파이프(50)의 내부에 수평관(60)이 배치되어, 수평관(60)의 림(62)이 헤드 파이프(50)의 결합구멍(51)에 각각 끼워지고, 상기 수평관(60)의 장착구멍(61)에 분기관(70)의 상단이 끼워지고, 상기 헤드 파이프(50)의 결합구멍(51) 둘레와 수평관(60)의 림(62)과 분기관(70)의 상단 둘레가 동시에 함께 용접됨으로써, 다수개의 분기관(70)들이 수평관(60)에서 일렬로 나란하게 분기되며, 수평관(60)과 분기관(70)이 히트 파이프 작용을 함으로써, 분기관(70)에서 태양 에너지를 흡수하고, 수평관(60)에서 헤드 파이프(50)를 순환하는 열매체(순환온수)로 열을 전달하는 것을 특징으로 한다.

Description

태양열 집열기용 헤더 유니트{HEADER UNIT OF SOLAR ENERGY COLLECTOR}

도 1은 종래의 태양열 집열기의 매니폴더(헤드 파이프)에서 유체의 흐름을 개략적으로 도시한 개략도

도 2는 본 발명에 따른 태양열 집열기용 헤더 유니트를 도시한 단면도

도 3은 헤드 파이프와 수평관과 분기관의 결합을 설명하기 위해 도 1의 일부를 확대 도시한 분해 단면도

도 4는 헤드 파이프와 수평관과 분기관의 결합을 설명하기 위해 도 1의 일부를 확대 도시한 조립 단면도

도 5는 도 2의 A-A선에 따른 단면도

도 6은 본 발명에 따른 헤더 유니트가 태양열 집열기로 적용되는 예를 도시한 단면도

도 7은 태양열 집열 유니트가 연결되는 예를 도시한 개략도

본 발명은 태양 에너지의 효율적인 열수송을 위해 히트 파이프로 작용하는 구조체를 일체로 제작한 태양열 집열기용 헤더 유니트에 관한 것으로서, 헤드 파이프의 내부에 양단이 밀폐된 수평관이 헤드 파이프의 길이 방향으로 배치되고, 상기 수평관에서 다수개의 분기관이 일렬로 나란하게 분기되는 태양열 집열기용 헤더 유니트에 관한 것이다.

대한민국 특허 제0368135호(2003년 1월 2일 등록)에 "산업용 진공관형 태양열 집열기"가 소개되어 있다.

상기 산업용 진공관형 태양열 집열기는 히트파이프, 집열판 및 진공유리관으로 구성되어 태양열을 집열하는 진공관형 태양열 집열기에 있어서, 일측단부 선단면에 구리 파이프인 접합 부재의 첨예한 단부가 찔러 넣어져 봉입 결합되고, 타측단부는 밀봉된 진공유리관과; 축방향 중심부에 3∼6 겹으로 적층된 스테인레스 망의 외주면을 적어도 1겹 이상의 스테인레스 망이 감싼 슬랩윅이 구비되며, 일측 외주면이 상기 접합 부재의 내주면에 용접결합되는 히트 파이프와; 폭방향 단면이 평판 내지는 원호상을 이루며 폭방향 중심부가 길이 방향으로 상기 히트 파이프의 외주면에 용접결합되는 태양열 집열판을 포함하여 구성된다.

그러나, 상기 산업용 진공관형 태양열 집열기는 결합부재를 사용하여 매니폴더에서의 열교환율을 높였으나, 열교환율을 더 향상시킬 수 있는 방안이 모색되어야 하고, 도 1에 도시된 바와같이, 유체가 매니폴더(3)를 통과할 때, 결합부재(7) 뒤에서 와류(5)가 형성되어, 유체의 흐름이 나빠지게 됨으로써, 유체의 흐름을 원 활하게 하기 위해 펌프의 용량을 높여야 하고, 펌프의 용량이 높아짐에 따라 에너지 소비가 커져 태양에너지 이용의 근본적인 취지를 상실할 수 있는 단점이 있었다.

따라서, 본 발명의 목적은 수평관에서 다수개의 분기관이 일렬로 나란하게 분기되어, 수평관과 분기관이 태양열 집열기의 히트 파이프 기능을 수행할 때, 분기관이 흡열 작용을 하고, 수평관이 방열 작용을 함으로써, 집열기 헤드 파이프의 내부에 수평관이 배치되어, 수평관의 열손실을 방지할 수 있는 태양열 집열기용 헤더 유니트를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 수평관이 헤드 파이프의 내부에 편심되게 배치될 뿐만 아니라 헤드 파이프와 평행하게 배치되므로서, 헤드 파이프의 내부를 통과하는 유체의 유체의 흐름을 간섭하지 않고, 수평관에 의해 열교환 표면적이 커짐으로써, 흡열과 방열에 대한 열적 불균형이 개선될 뿐만 아니라 열교환 효율이 상당히 많이 높아지고, 헤드 파이프의 결합구멍 둘레와 분기관의 림과 분기관의 둘레가 동시에 함께 용접되므로서, 헤드 파이프의 결합구멍 둘레로 누수가 발생되는 것을 방지할 수 있는 태양열 집열기용 헤더 유니트를 제공하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 태양열 집열기용 헤더 유니트는 양단이 밀폐된 수평관에 다수개의 장착구멍이 일렬로 나란하게 형성되고, 상기 수평관의 장착구멍에 둘레에 림(rim)이 각각 형성되고, 헤드 파이프의 내부에 수평관이 배치되어, 수평관의 림이 헤드 파이프의 결합구멍에 각각 끼워지고, 상기 수평관의 장착구멍에 분기관의 상단이 끼워지고, 상기 헤드 파이프의 결합구멍 둘레와 수평관의 림과 분기관의 상단 둘레가 동시에 함께 용접됨으로써, 다수개의 분기관들이 수평관에서 일렬로 나란하게 분기되며, 수평관과 분기관이 히트 파이프 작용을 함으로써, 분기관에서 태양 에너지를 흡수하고, 수평관에서 헤드 파이프를 순환하는 유체(순환온수)로 열을 전달하는 것는 것을 특징으로 한다.

이것에 의해, 본 발명에 따른 태양열 집열기용 헤더 유니트는 수평관이 헤드 파이프의 내부에 배치되므로서, 수평관이 방열 기능을 수행할 때 열손실을 방지할 수 있어, 헤더 유니트의 열교환 목적에 충실할 수 있고, 헤드 파이프를 통과하는 유체의 흐름이 간섭되지 않아 유체 순환을 위한 전기에너지의 소비를 줄일 수 있으며, 수평관의 열교환 표면적이 커짐으로써, 당면 과제인 히트 파이프를 적용한 집열기의 흡열과 방열에 대한 열적 불균형이 개선(열 병목현상 해소)될 뿐만 아니라 열교환 효율이 상당히 많이 높아지고, 헤드 파이프의 결합구멍 둘레로 누수가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2 내지 도 4를 참조하면, 본 발명에 따른 태양열 집열기용 헤더 유니트는 양단이 밀폐된 수평관(60)에 다수개의 장착구멍(61)이 일렬로 나란하게 형성되고, 상기 수평관(60)의 장착구멍(61)에 둘레에 림(62 ; rim)이 각각 형성되고, 헤드 파이프(50)의 내부에 수평관(60)이 배치되어, 수평관(60)의 림(62)이 헤드 파이프(50)의 결합구멍(51)에 각각 끼워지고, 상기 수평관(60)의 장착구멍(61)에 분기관(70)의 상단이 끼워지고, 상기 헤드 파이프(50)의 결합구멍(51) 둘레와 수평관(60)의 림(62)과 분기관(70)의 상단 둘레가 동시에 함께 용접됨으로써, 다수개의 분기관(70)들이 수평관(60)에서 일렬로 나란하게 분기된다.

또한, 상기 태양열 집열기용 헤더 유니트는 상기 수평관(60)에 5개 ~ 7개의 분기관(70)이 분기되어 한 세트의 모듈을 이룬다.

도 5를 참조하면, 상기 수평관(60)는 중심(X1)이 헤드 파이프(50)의 중심(X2)에서 편심되게 배치되고, 직경(D1)이 헤드 파이프 직경(d1)의 55% ~ 80%인 것이 바람직하다.

상기 수평관(60)의 직경(D1)이 헤드 파이프 직경(d1)의 55% 이하일 경우, 수평관의 표면적이 적어 열교환 효율이 저하될 수 있으며, 상기 수평관(60)의 직경(D1)이 헤드 파이프 직경의 80% 이상일 경우, 헤드 파이프(50) 내에서 유체의 흐름이 급속하게 빨라지게 되어, 수평관의 직경이 헤드 파이프 직경의 55% ~ 80%일 때 보다 상대적으로 열교환 효율이 낮아지게 된다. 따라서, 수평관의 직경은 헤드 파이프의 직경을 고려하여 헤드 파이프 직경의 55% ~ 80% 사이에서 선택하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 수평관(60)의 림(62)은, 도 4에 도시된 바와같이, 길이(S1)가 최소한 헤드 파이프(50)의 두께(t1)와 일치되거나, 헤드 파이프(50)의 외표면에서 2~5mm 정도 돌출되는 것이 바람직하다.

이것은 헤드 파이프(50)의 결합구멍(51) 둘레와 수평관(60)의 림(62)과 분기관(70)의 둘레를 동시에 용접할 때, 림(62)이 확실하게 용접되는 것을 보장하며, 용접후 림 둘레로 누수되는 것을 방지한다.

도 6을 참조하면, 상기와 같이 구성된 헤더 유니트는 동으로 이루어진 수평관(60)과 분기관(70)이 일체화된 후, 수평관(60)과 분기관(70)의 내부에 히트파이프 열전달물질(90)이 삽입된 상태에서 진공 밀봉됨으로써, 상기 수평관(60)과 분기관(70)이 태양열 집열기의 히트 파이프 기능을 수행할 수 있게 된다. 그리고, 각각의 분기관(70)이 이중 진공 유리관(80)에 의해 커버되고, 이중 진공 유리관(80)의 상단이 마개(85)에 의해 밀폐되고, 이중 진공 유리관(80)이 받침대에 장착됨으로써, 한 세트의 태양열 집열 유니트를 이루게 된다. 이때, 상기 수평관(60)은 방열부 역할을 수행하고, 분기관(70)은 흡열부 역할을 수행하게 된다.

도 7을 참조하면, 그리고, 이와 같이 구성된 어느 한 태양열 집열 유니트의 헤드 파이프에 다른 태양열 집열 유니트의 헤드 파이프를 연결하는 방식으로 다수개의 태양열 집열 유니트를 연결하여 사용할 수 있다.

상기 이중 진공 유리관(80)은 개구부에 미세한 통공(도시하지 않음)이 형성된 마개(85)가 끼워진다. 상기 마개(85)는 이중 진공 유리관의 내부열이 외부로 누출되는 것을 방지하고, 이중 진공 유리관(80) 내부의 공기가 열에 팽창될 때 통공 을 통해 공기가 외부로 배출되게 한다.

상기와 같이 구성된 본 발명에 따른 태양열 집열기용 헤더 유니트는 방열기능을 수행하는 수평관(60)이 헤드 파이프(50)의 내부에 배치되므로서, 분기관(70)으로부터 전달된 고온의 에너지를 헤드 파이프(50)의 내부에서 발산할 수 있어, 수평관(60)의 열손실을 방지할 수 있고, 헤드 파이프(50)에서의 열교환 효율을 극대화할 수 있고, 수평관(60)이 헤드 파이프(50)의 내부에 편심되게 배치될 뿐만 아니라 헤드 파이프(50)와 평행하게 배치되어, 헤드 파이프(50)의 내부로 유입되어 흐르는 유체에 와류가 형성되지 않아, 유체를 순환시키기 위한 펌프의 용량을 크게 할 필요가 없으며, 수평관(60)의 열교환 표면적이 크기 때문에, 흡열 표면적에 대한 방열 표면적의 비율을 높아져, 흡열과 방열에 대한 열적 불균형이 개선될 뿐만 아니라 열교환 효율이 상당히 많이 높아진다. 또한, 상기 헤드 파이프(50)의 결합구멍(51) 둘레와 수평관(60)의 림(62)과 분기관(70)의 둘레가 동시에 함께 용접되므로서, 헤드 파이프(50)의 결합구멍(51) 둘레로 누수가 발생되는 것을 방지할 수 있다.

상기와 같이 구성되고 장점을 갖는 본 발명에 따른 헤더 유니트를 적용한 태양열 집열기는 분기관(70) 및 수평관(60)이 히트 파이프 역할을 수행하게 된다. 즉, 태양 에너지가 분기관(70)으로 공급되면, 진공 상태의 분기관(70) 하단에 채워진 열전달 물질(90)이 액체에서 기체로 쉽게 상변화되어, 주변의 잠열을 흡수하고 대량의 열을 수송할 수 있는 히트 파이프를 채택하고 있다.

위에서 설명한 바와같이, 본 발명에 따른 태양열 집열기용 헤더 유니트는 수평관이 헤드 파이프의 내부에 배치되므로서, 수평관이 방열 기능을 수행할 때 열손실을 방지할 수 있어, 헤더 유니트의 열손실을 최소화할 수 있고, 헤드 파이프를 통과하는 유체의 흐름이 간섭되지 않아 유체 순환을 위한 전기에너지의 소비를 줄일 수 있으며, 수평관의 열교환 표면적이 커짐으로써, 흡열과 방열에 대한 열적 불균형이 개선(열 병목현상 해소)될 뿐만 아니라 열교환 효율의 상승에 따라 효율적인 태양열 집열기로서 대량으로 설치할 경우 효율의 상승분 만큼 설치 숫자를 줄일 수 있어 경제성이 높으며, 다년간 사용하여도 헤드 파이프의 결합구멍 둘레로 누수가 발생되는 것을 방지할 수 있는 효과가 있다.

Claims

양단이 밀폐된 수평관(60)에 다수개의 장착구멍(61)이 일렬로 나란하게 형성되고, 상기 수평관(60)의 장착구멍(61)에 둘레에 림(62 ; rim)이 각각 형성되고, 헤드 파이프(50)의 내부에 수평관(60)이 배치되어, 수평관(60)의 림(62)이 헤드 파이프(50)의 결합구멍(51)에 각각 끼워지고, 상기 수평관(60)의 장착구멍(61)에 분기관(70)의 상단이 끼워지고, 상기 헤드 파이프(50)의 결합구멍(51) 둘레와 수평관(60)의 림(62)과 분기관(70)의 상단 둘레가 동시에 함께 용접됨으로써, 다수개의 분기관(70)들이 수평관(60)에서 일렬로 나란하게 분기되며, 수평관(60)과 분기관(70)이 히트 파이프 작용을 함으로써, 분기관(70)에서 태양 에너지를 흡수하고, 수평관(60)에서 헤드 파이프(50)를 순환하는 유체(순환온수)로 열을 전달하는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 헤더 유니트.
제 1 항에 있어서,

상기 수평관(60)에 5개 ~ 7개의 분기관(70)가 결합되어 한 세트의 모듈을 이루는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 헤더 유니트.
제 1 항에 있어서,

상기 수평관(60)는 중심(X1)이 헤드 파이프(50)의 중심(X2)에서 편심되게 배치되고, 직경(D1)이 헤드 파이프 직경(d1)의 55% ~ 80%인 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 헤더 유니트.
제 1 항에 있어서,

상기 수평관(60)의 림(62)은 길이(S1)가 최소한 헤드 파이프(50)의 두께(t1)와 일치되거나, 헤드 파이프(50)의 외표면에서 2~5mm 정도 돌출되는 것을 특징으로 하는 태양열 집열기용 헤더 유니트.