KR100895974B1 - 직접 열교환 방식 태양열 집열기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직접 열교환 방식 태양열 집열기에 관한 것으로, 그 기술적 요지는 상하로 구분된 매니폴드와 이들을 연결하는 다수개의 분배관으로 하여금 유입된 열매체가 일정한 유량으로 분배되어 태양열에 의한 열교환시 집열기와 직접 열교환되도록 형성하되, 상기 분배관 외주면에는 유리진공관이 접합체에 의해 고 진공도를 유지하며 접합됨으로써 상기 분배관은 진공 단열에 의해 열저항이 최소화되어 집열효율이 개선되는 한편, 상부매니폴드를 통해 배수되는 열매체는 다른 집열기의 입구 또는 판형 열교환기에 의해 축열탱크와 열교환되어 신속하고 안정적인 고효율 집열이 보장되는 것을 특징으로 하는 직접 열교환 방식 태양열 집열기에 관한 것이다.

이를 위해, 본 발명은 일측단이 밀폐되고 타측단으로부터 열매체를 공급받는 하부매니폴드(110)와, 상기 하부매니폴드(110)에 대해 직교된 방향으로 등간격 분배되는 다수개의 분배관(120)과, 상기 분배관(120)과 연통되어 열교환된 열매체를 타측 집열기 또는 축열조로 배수시키도록 일측단이 밀폐되고 타측단이 개구되는 상부매니폴드(130)가 구비되어 이루어지는 직접열교환관(100)과; 상기 직접열교환관의 분배관(120) 외주면을 감싸며 태양열을 집열하고 분배관(120)을 경유하는 열매체에 열교환을 조장하도록 내측에 집열판(210)이 구비되는 유리진공관(200)과; 상기 유리진공관(200)의 양단부가 직접열교환관의 분배관(120) 양단부측과 접합되어 내부 공간이 진공상태를 유지하도록 형성되는 접합체(300)가; 구성되어 이루어지는 직접 열교환 방식 태양열 집열기에 있어서, 상기 접합체(300)는 동(Cu) 재질과 유리 재질이 접합될 수 있도록 PbO 70중량%와, B₂O₃ 15중량%와, SrO 10중량% 및 SiO₂ 5중량%로 이루어진 유리분말 85~99중량%에; 첨가제 CuO와 CaF₂를 합하여 1~15중량%가; 혼합되어 이루어진다.

따라서, 본 발명은 상,하부 매니폴더를 연결하는 분배관과 상기 분배관을 감싸며 고 진공도를 유지하는 유리진공관에 의해 열매체의 일정한 유량 분배가 용이함은 물론 열매체가 유리진공관 내에서 집열기와 직접 열교환됨으로써 열저항 발생이 최소화되어 집열효율이 증대되고, 상기 열교환된 열매체는 다른 집열기 및 판형 열교환기를 통하여 축열탱크과 추가 열교환이 가능하도록 형성되는 바, 이는 열매체를 직접 열교환하는 태양열 시스템으로써 집열 효율성과 생산성이 크게 향상되는 효과가 있다.

매니폴더, 집열기, 진공관, 열교환, 축열탱크, 열매체, 접합체

Description

직접 열교환 방식 태양열 집열기{Concentrating solar collector for type of direct contact heat}

도 1은 본 발명의 일측면도,

도 2는 본 발명의 직접열교환관을 나타낸 일측면도,

도 3은 본 발명의 접합체 부분을 나타낸 일측면도,

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 ... 직접열교환관 110 ... 하부매니폴드

120 ... 분배관 130 ... 상부매니폴드

200 ... 유리진공관 300 ... 접합체

본 발명은 직접 열교환 방식 태양열 집열기에 관한 것으로, 그 기술적 요지는 상하로 구분된 매니폴드와 이들을 연결하는 다수개의 분배관으로 하여금 유입된 열매체가 일정한 유량으로 분배되어 태양열에 의한 열교환시 집열기와 직접 열교환되도록 형성하되, 상기 분배관 외주면에는 유리진공관이 접합체에 의해 고 진공도를 유지하며 접합됨으로써 상기 분배관은 진공 단열에 의해 열저항이 최소화되어 집열효율이 개선되는 한편, 상부매니폴드를 통해 배수되는 열매체는 다른 집열기의 입구 또는 판형 열교환기에 의해 축열탱크와 열교환되어 신속하고 안정적인 고효율 집열이 보장되는 것을 특징으로 하는 직접 열교환 방식 태양열 집열기에 관한 것이다.

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 전 달하게 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 방법로 구분된다.

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 표면으 로부터 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 사이공간에는 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 상하로 구분된 매니폴드와 이들을 연결하는 다수개의 분배관으로 하여금 유입된 열매체가 일정한 유량으로 분배되어 태양열에 의한 열교환시 집열기와 직접 열교환되도록 형성하되, 상기 분배관 외주면에는 유리진공관이 접합체에 의해 고 진공도를 유지하며 접합됨으로써 상기 분배관은 진공 단열에 의해 열저항이 최소화되어 집열효율이 개선되는 한편, 상부매니폴드를 통해 배수되는 열매체는 다른 집열기의 입구 또는 판형 열교환기에 의해 축열탱크와 열교환되어 신속하고 안정적인 고효율 집열이 보장되는 것을 특징으로 하는 직접 열교환 방식 태양열 집열기를 제공함에 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 일측단이 밀폐되고 타측단으로부터 열매체를 공급받는 하부매니폴드(110)와, 상기 하부매니폴드(110)에 대해 직교된 방향으로 등간격 분배되는 다수개의 분배관(120)과, 상기 분배관(120)과 연통되어 열교환된 열매체를 타측 집열기 또는 축열조로 배수시키도록 일측단이 밀폐되고 타측단이 개구되는 상부매니폴드(130)가 구비되어 이루어지는 직접열교환관(100)과; 상기 직접열교환관의 분배관(120) 외주면을 감싸며 태양열을 집열하고 분배관(120) 을 경유하는 열매체에 열교환을 조장하도록 내측에 집열판(210)이 구비되는 유리진공관(200)과; 상기 유리진공관(200)의 양단부가 직접열교환관의 분배관(120) 양단부측과 접합되어 내부 공간이 진공상태를 유지하도록 형성되는 접합체(300)가; 구성되어 이루어진다.

이때, 상기 접합체(300)는 동(Cu) 재질과 유리 재질이 접합될 수 있도록 PbO 70중량%와, B₂O₃ 15중량%와, SrO 10중량% 및 SiO₂ 5중량%로 이루어진 유리분말 85~99중량%에; 첨가제 CuO와 CaF₂를 합하여 1~15중량%가; 혼합되어 이루어진다.

다음은 첨부된 도면을 참조하며 본 발명을 보다 상세히 설명하겠다.

먼저 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명은 서로 수평을 이루며 일정 간격으로 이격되는 상,하부 매니폴드(130,110)와 상기 상,하부 매니폴드(130,110)를 연결하며 유입된 열매체를 일정하게 분배시키도록 형성되는 분배관(120)이 이루어져 직접열교환관(100)을 구성하되, 상기 직접열교환관의 분배관(120) 외주면에는 진공상태를 유지하며 열효율을 최적화시키도록 유리진공관(200)이 각각 부설되며 이때, 상기 유리진공관(200)은 이종 재질인 분배관(120)과 고 진공도를 유지하며 완전 접합되도록 별도의 접합체(300)에 의해 접합된다.

즉, 본원 발명의 직접 열교환 방식은 열매체가 하부매니폴드(110) -> 분배관(120) -> 상부매니폴드(130)를 경유하며 접합체(300)에 의해 고진공도가 유지되 는 유리진공관(200)에 의해 집열기와 직접 열교환됨으로써 고효율 열교환을 실현하게 된다.

이에 상기 직접열교환관(100)은 하부매니폴드(110), 상부매니폴드(130) 및 분배관(120)으로 크게 구성된다.

이때, 하부매니폴드(110)는 일측단이 밀폐되고 타측단으로부터 열매체를 공급받도록 형성된다. 이때, 상기 하부매니폴드는 동관으로 형성되는 것이 바람직하다.

이에 상기 분배관(120)은 하부매니폴드(110)에 대해 직교된 방향으로 등간격 분배되도록 형성된다. 이때, 상기 분배관의 직경은 하부매니폴드에 직경에 비해 좁은 단면적을 갖는 것이 바람직하다.

이는 모세관 형태로 분배되는 열매체가 후술되는 집열판에 의해 보다 열저항이 최소화된 상태에서 신속하게 열교환되도록 유도하기 위함이다. 이때, 상기 분배관은 하부매니폴드가 접합된 반대측에 상부매니폴드가 접합된다.

이때, 상기 상부매니폴드(130)는 열교환된 열매체를 타측 집열기 또는 축열조로 배수시키도록 일측단이 밀폐되고 타측단이 개구된다. 즉, 분배관에 의해 열교환이 이루어진 열매체를 다시 수집하여 후발 열교환시스템(집열기, 축열조)으로 이송되도록 형성된다.

한편, 상기 유리진공관(200)은 직접열교환관의 분배관(120) 외주면을 감싸며 태양열을 집열하고 분배관(120)을 경유하는 열매체에 열교환을 조장하도록 내측에 집열판(210)이 구비되어 이루어진다.

이때, 유리진공관의 양단부는 분배관을 수납한 상태에서 진공상태로 접합되며 이는 후술되는 접합체에 의해 실현된다.

이때, 상기 유리진공관은 내측에 집열판을 구비하는 것으로 이는 태양광(열)을 실질적으로 집속하는 열흡수용 판으로써, 상기 흡수된 태양열은 내측에 형성된 분배관에 전달되어 상기 분배관을 경유하는 열매체에 열교환을 일으키게 된다.

이에 상기 접합체(300)는 유리진공관(200)의 양단부가 직접열교환관의 분배관(120) 양단부측과 접합되어 내부 공간이 진공상태를 유지하도록 형성된다.

즉, 상기 접합체(300)는 동(Cu) 재질과 유리 재질이 접합될 수 있도록 PbO 70중량%와, B₂O₃ 15중량%와, SrO 10중량% 및 SiO₂ 5중량%로 이루어진 유리분말 85~99중량%에; 첨가제 CuO와 CaF₂를 합하여 1~15중량%가; 혼합되어 상술한 구리 재질인 동관과 유리를 접합하도록 형성된다.

이때, 상기 유리분말을 구성하는 성분 중 PbO는 70중량%가 첨가되는데, 이는 첨가량이 70중량% 미만으로 되면 유리의 전이점이 상승하여 접합온도가 상승하게 되고 충진제를 통한 열팽창계수의 조절이 어려우며 85중량%를 초과하면 실투가 유발되는 특성을 보인다.

이에 B₂O₃ 는 일반적으로 유리의 융점을 낮추고 유리화를 촉진시키기 위하여 첨가되는데 15중량%의 첨가 범위에서 유리화가 가능하며 그 외의 영역에서는 유리의 실투를 유발하게 된다.

이에 유리구조 내에서 망목수식체 역활을 하는 SrO 는 유리의 유동성을 돕고 유리 구조내에서 비조화 진동을 증가시키기 위해 첨가된다. 이때, 저 융점과 고 유동성을 얻기 위해서 BaO 를 첨가하는 경우도 있지만 접합부분이 외부에 장시간 노출될 경우 화학적 내구성이 취약해질 우려가 있어 본 발명에서는 제외한다.

이때, SrO의 첨가량과 관련해서는 10중량%를 초과하면 유리화가 되지 않으며 1중량% 미만으로 되면 첨가의 효과를 기대할 수 없으므로 10중량% 범위로 첨가되도록 하는 것이 바람직하다.

이에 SiO₂ 는 접합유리의 화학적 내구성 향상을 위해 첨가되는 것으로 그 첨가량이 5중량%를 초과되면 유리화를 방해하여 실투되는 특성을 보이며 1중량% 미만으로 되면 상기 첨가에 의한 내구성 향상을 기대하기 어렵게 된다.

한편, 상기와 같은 조성으로 이루어진 유리분말에 첨가되는 충진제로서의 CuO와 CaF₂ 는 구리와의 접합력 향상을 위해 사용된다. 이는 법랑 제조시에서도 하유약과 금속소지간의 접착성 향상을 위해 산화코발트나 산화니켈 등의 금속을 유약에 첨가하기도 하는데, 본 발명에서는 구리와의 전착력 향상을 위해 CuO를 이용하였다.

또한, 본 발명의 충진제를 구성하는 CaF₂ 는 접착유리의 열팽창계수 조절을 위한 목적으로 첨가되는데 이는 접착유리와 분말형태로 혼합되어 사용되며 충진제는 접합온도에서 접합유리와 불용성을 띠기 때문에 충진제 입자는 본래대로 남으며 유리에 용해되지는 않는다.

이러한 조성의 유리분말은 각 조성 성분을 평량하여 혼합한 후 볼밀링 등에서 분쇄함으로써 얻어지게 되고, 이렇게 얻어진 유리분말은 분말상태의 충진제와 설정된 비율로 혼합되어 상기 분배관(120:구리동관)에 접합체로써 구성하게 된다.

이와 같은 접합체 조성물은 다음의 일 실시예에 의해 제조된다.

먼저 본 발명에 따른 접합용 유리를 제조하기 위한 원료로는 PbO, H₃BO₃, SrCO₃, SiO₂ 를 사용하였다.

이들 원료조성을 유리기준 100g 으로 칭량하여 충분히 혼합하고 백금 도가니에 장입하여 전기로를 이용하여 각각의 유리조성에 맞는 용융온도로 용융하게 된다.

이때, 각 유리의 용융온도에서 2시간 동안 용융한 후 스테인레스 강판 위에서 급냉한 후 볼밀링을 40여시간 동안 44um 이하의 유리분말을 형성한다.(표 1 참조)

이때, 상기 유리분말은 CuO와 CaF₂ 로 이우어진 충진제와 혼합하여 접합용 유리 조성물인 접합체를 형성한다. 이때, 상기 접합체는 동관인 분배관과 접합시 전기로와 브레이징법을 이용하여 형성하게 된다.

[표 1]

상기 표 1에서의 열팽창계수는 용융된 유리를 흑연몰드에 부어 유리막대로 성형한 후 각각의 유리조성에 적합한 온도에서 내부응력을 제거하기 위해 서냉한 다음 다이아몬드 절단기를 이용하여 5*5*50mm 의 크기로 절단하고 표면을 연마하여 얻어진 시편을 열팽창계수 측정기기인 딜라토미터(상온~800℃)를 이용하여 측정한 결과이다.

상기 표 1에서와 같이 본 발명의 실시예 1 내지 실시예 3의 유리조성물은 대략 350℃ 부근의 낮은 연화점을 나타내고 있음을 알 수 있고, 열팽창계수 92.4~97.8*10^-7/℃ 범위로 높게 나타남을 알 수 있어 저융점, 고열팽창 특성을 구비하고 있다.

반면에 이와 대비되는 비교예 유리조성물의 경우에는 상기 본 발명의 실시예 조성들에 비해 상대적으로 높은 유리의 전이점을 나타냄과 아울러 열팽창계수도 전반적으로 낮음으로서 접착용 유리조성물에서 필수적으로 요구되는 저융점, 고열팽 창 특성면에서 본 발명의 조성물에 비해 뒤떨어짐을 알 수 있다.

한편, 유리조성물을 이용한 동관의 접합시에는 동관의 접합표면에 대하여 전처리를 행하여 구리 제1산화물(Cu₂O)가 형성되도록 하는 것이 필수적이며 또한, 유리의 융점을 낮게 가져감으로써 접착공정에서 구리의 산화가 더 이상 진행되지 않도록 해야 한다.

그런데, 상기 비교예의 유리조성물은 유리의 전이점이 상대적으로 높기 때문에 접합 공정중에 구리의 표면에 제2산화물(CuO)이 다량 생성되어 냉각시 발생하는 응력을 완충시키지 못하는 것으로 나타났다.

아울러, 비교예 4의 경우에는 유리의 전이점이 낮음에도 불구하고 구리 제1산화물과 반응층을 형성하지 못하는 것으로 나타났는 바, 유리의 용융특성과 열팽창계수가 적절함에도 불구하고 구리 제1산화물과의 반응층 형성이 되지 않으면 냉각시 크랙이 발생하면서 접합이 불가능해지게 된다.

반면에 본 발명의 실시예 유리조성물인 접합체의 경우에는 저융점, 고열팽창계수 특성을 유지하면서 비교적 단시간 내에 접착공정이 이루어지도록 함으로써 접착공정 중에 구리표면에서 더 이상의 산화가 진행되는 것이 방지되도록 하면서 접합이 이루어지게 됨으로써 높은 접합강도를 나타내게 된다.

이와 같이 본원 접합체는 동관과 접합유리 사이에 반응층으로써의 구리산화물층이 형성되어 동관인 분배관과 접합유리인 유리진공관과의 접합력을 향상시키게 된다.

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 상,하부 매니폴더를 연결하는 분배관과 상기 분배관을 감싸며 고 진공도를 유지하는 유리진공관에 의해 열매체의 일정한 유량 분배가 용이함은 물론 열매체가 유리진공관 내에서 집열기와 직접 열교환됨으로써 열저항 발생이 최소화되어 집열효율이 증대되고, 상기 열교환된 열매체는 다른 집열기 및 판형 열교환기를 통하여 축열탱크과 추가 열교환이 가능하도록 형성되는 바, 이는 열매체를 직접 열교환하는 태양열 시스템으로써 집열 효율성과 생산성이 크게 향상되는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 삭제
2. 일측단이 밀폐되고 타측단으로부터 열매체를 공급받는 하부매니폴드(110)와, 상기 하부매니폴드(110)에 대해 직교된 방향으로 등간격 분배되는 다수개의 분배관(120)과, 상기 분배관(120)과 연통되어 열교환된 열매체를 타측 집열기 또는 축열조로 배수시키도록 일측단이 밀폐되고 타측단이 개구되는 상부매니폴드(130)가 구비되어 이루어지는 직접열교환관(100)과; 상기 직접열교환관의 분배관(120) 외주면을 감싸며 태양열을 집열하고 분배관(120)을 경유하는 열매체에 열교환을 조장하도록 내측에 집열판(210)이 구비되는 유리진공관(200)과; 상기 유리진공관(200)의 양단부가 직접열교환관의 분배관(120) 양단부측과 접합되어 내부 공간이 진공상태를 유지하도록 형성되는 접합체(300)가; 구성되어 이루어지는 직접 열교환 방식 태양열 집열기에 있어서,

   상기 접합체(300)는 동(Cu) 재질과 유리 재질이 접합될 수 있도록 PbO 70중량%와, B₂O₃ 15중량%와, SrO 10중량% 및 SiO₂ 5중량%로 이루어진 유리분말 85~99중량%에; 첨가제 CuO와 CaF₂를 합하여 1~15중량%가;

   혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 직접 열교환 방식 태양열 집열기.

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