KR100970861B1 - 이중진공관을 이용한 평판형 집열기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 축열탱크와 연통되어 열매체가 유출입되는 평판타입 태양열 집열기에 있어서, 일단이 상기 축열탱크의 일측과 결합되는 열매체 유입관과 양단 중 어느 하나의 일단부가 상기 열매체 유입관의 타단과 결합되는 상부관과 일단이 상기 축열탱크의 타측과 결합되는 열매체 환수관과 양단 중 어느 하나의 일단부가 상기 열매체 환수관의 타단과 결합되는 하부관과 일단이 상기 상부관의 일측과 연결되고, 타단이 상기 하부관의 일측과 연결되어 상기 상부관과 상기 하부관의 내부공간을 연통하는 적어도 하나 이상의 가열관과 상기 가열관의 외주면을 감싸도록 설치되고, 외관과 내관 사이가 진공으로 되어있는 이중진공관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

이중진공관, 태양열 집열기, 자연순환식, 평판형

Description

이중진공관을 이용한 평판형 집열기{Flat Type Solar Heat Collector Having Double Vacuum Tube}

본 발명은 이중진공관을 이용한 평판형 집열기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 평판형 태양열 집열기를 이중진공관으로 구성함으로써 기존의 평판형 태양열 집열기보다 더 높은 집열효율을 가지며, 기존의 진공관형과 달리 열매체의 밀도차를 이용하므로 별도로 순환펌프를 구비하지 않고도 동작이 가능하며, 열전달플레이트를 구비하고, 이를 진공관에 밀착시키는 구조를 가짐으로써 더욱 효율적인 열전달이 가능한 태양열 집열기에 관한 것이다.

태양열이용시스템이란 태양광선의 파동성질과 광열학적성질을 이용하여 태양열 흡수, 저장, 열변환을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술이며, 크게 집열부, 축열부, 이용부로 구성되어 있다

집열부는 태양의 복사에너지를 흡수하여 재생가능한 열에너지로 변환시키는 기기로 중요한 역할을 담당하고 있으며, 일반적으로 태양열 집열기는 집광식과 비집광식이 있다.

집광식의 경우에는 200℃이상의 고온열을 얻을 수 있으나, 태양추적시스템을 구비해야 하는 등 초기 설치비 및 관리비가 많이 들어 주로 태양열 발전에 쓰인다.

비집광식은 평판형과 진공관형이 있으며,

종래의 평판형 태양열 집열기는 도 1에서 나타낸 바와 같이 금속제 태양열 집열판(130)에 가열관(140)이 설치되어 있는 것으로, 태양으로부터 발산된 태양열이 집열판(130)에 집열되면 집열판에 설치된 가열관(140)의 내부에 있는 열매체가 가열되고, 가열된 열매체는 밀도차에 의해 열매체 유입관(110)을 통해 축열탱크(100)로 유입된다. 유입된 열매체는 축열탱크(100)내에서 냉수와 상호열교환을 통해 온도가 감소하고 온도가 감소된 열매체는 다시 열매체 환수관(120)을 통해 가열관(140)으로 돌아오게 된다. 자연순환방식이라고 한다.

이러한 태양열 온수 급탕 시스템에 사용되는 기본적인 태양열 집열기로서 가격이 저렴할 뿐 아니라 열매체가 자연순환되어 가장 효율적인 집열기로 알려져 있으나, 열매체에 의한 열 취득 온도는 80℃이하로 비교적 낮아 사용이 제한되고 있다.

종래의 진공관형 태양열 집열기는 도 2에서 나타낸 바와 같이 하방이 밀폐된 진공 유리관(210) 내에 열전달 플레이트와 U자형의 가열관(220)이 설치되어 있는 것으로 열매체에 의한 열 취득 온도는 80℃~200℃의 범위 내로 종래의 평판형 태양열 집열기 보다 고온의 열을 취득할 수 있으나, 열매체가 자연순환되지 않으므로 별도의 열매체 순환펌프(200)가 필요하여 효율성이 떨어진다는 단점이 있다.

또한, 종래에는 집열판에 가열관을 직접 용접하여 고정하고 있으나, 이는 집 열판과 가열관이 접촉하는 면이 일부에 국한되어 있다. 또한 가열관이 손상되어 교체가 필요한 경우에 용접된 집열판까지 함께 교체해야하는 등의 문제가 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 평판형에 비해 적은 면적으로 높은 집열효율을 얻을 수 있는 이중진공관을 이용하면서도 종래와 같이 순환펌프가 요구되지 않는 구조를 제안하여, 고온의 열을 보다 더 효율적으로 얻을 수 있도록 하며, 이중진공관 내측에 열전달 플레이트를 밀착 설치되도록 하고, 열전달 플레이트내의 가열관과의 접촉부위를 넓혀 집열효율을 더욱더 높일 수 있도록 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 일단이 축열탱크의 일측과 결합되는 열매체 유입관과 양단 중 어느 하나의 일단부가 열매체 유입관의 타단과 결합되는 상부관과 일단이 축열탱크의 타측과 결합되는 열매체 환수관과 양단 중 어느 하나의 일단부가 열매체 환수관의 타단과 결합되는 하부관과 일단이 상부관의 일측과 연결되고, 타단이 하부관의 일측과 연결되어 상부관과 하부관의 내부공간을 연통하는 적어도 하나 이상의 가열관과 가열관의 외주면을 감싸도록 설치되고, 외관과 내관 사이가 진공으로 되어있는 이중진공관을 포함한다.

여기서, 상기 이중진공관의 내면에 접하도록 설치되며, 상기 가열관의 외주면 일측이 내면에 접하도록 하는 열전달 플레이트를 더 포함하도록 구성하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 열전달 플레이트는 일측이 길이방향을 따라 절개되는 것을 특징으로 하며, 상기 열전달 플레이트는 내면으로부터 내측으로 끼움돌부가 형성되고, 상기 끼움돌부의 일 측에 상기 동관이 억지끼움되는 끼움홈이 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 집열기의 하측에 상기 이중진공관과 동일한 방향의 원형굴곡된 형상의 반사판이 설치되도록 하는 것이 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 이중진공관을 사용하여 종래의 평판형 집열기에 보다 적은 집열면적으로 고열을 취득할 수 있으며, 이중진공관을 자연순환식 집열기 형태로 구성하여 순환펌프에 의하지 않고도 열매체가 밀도차에 의해 자연적으로 순환이 가능하다.

또한, 이중진공관 내측에 열전달 플레이트를 밀착설치되게 하고 열전달 플레이트내의 가열관과의 접촉부위를 넓힘으로써 집열효율을 더욱더 높일 수 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명에 따른 이중진공관을 이용한 평판형 집열기의 개략도, 도 4는 부분절개 사시도, 도 5는 부분절개 단면도이다.

본 발명은 일단이 상기 축열탱크(10)의 일측과 결합되는 열매체 유입관과(11) 양단 중 어느 하나의 일단부가 상기 열매체 유입관(11)의 타단과 결합되는 상부관(20)과 일단이 상기 축열탱크(10)의 타측과 결합되는 열매체 환수관(12)과 양단 중 어느 하나의 일단부가 상기 열매체 환수관(12)의 타단과 결합되는 하부관(30)과 일단이 상기 상부관(20)의 일측과 연결되고, 타단이 상기 하부관(30)의 일측과 연결되어 상기 상부관(20)과 상기 하부관(30)의 내부공간을 연통하는 적어도 하나 이상의 가열관(40)과 가열관(40)의 외주면을 감싸도록 설치되고, 외관과 내관 사이가 진공으로 되어있는 이중진공관(50)을 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명은 이중진공관(50)의 내면에 접하도록 설치되며, 가열관(40)의 외주면 일측이 내면에 접하도록 하는 열전달 플레이트(70)를 더 포함하도록 하는 것이 더 바람직하다.

또한, 본 발명은 상측으로부터 태양열을 흡수하는 동시에 반사되거나 태양열을 흡수하도록 상기 집열기의 하측에 상기 이중진공관(50)과 동일한 방향의 원형굴곡된 형상의 반사판(60)을 설치하는 것이 바람직하다.

열매체 유입관(11)과 열매체 환수관(12)은 각각의 일단이 축열탱크(10)의 일측과 타측에 연결되어 있다.

상부관(20)과 하부관(30)은 각각의 양단 중 일단부가 열매체 유입관(11)과 열매체 환수관(12)의 타단과 연결되어 있다.

상부관(20)과 하부관(30)의 일측에는 적어도 한 개 이상의 가열관(40)이 연결되어 있다.

가열관(40) 내부에 있는 열매체가 태양열에 의해 가열되면 밀도차이에 의해 가열된 열매체는 상승하여 열매체 유입관(20)을 통해 축열탱크(10)로 흘러들어가게 되고, 축열탱크(10)에서 열매체와 온수가 열교환을 통하여 열전달이 이루어진 뒤, 열을 잃은 열매체는 열매체 환수관(30)을 통하여 다시 가열관(40)으로 흘러들어가게 되어 순환한다.

가열관(40)의 재질은 일반금속물 또는 합성수지물을 사용하여도 무방하나, 가능하면 열전도율이 높고 녹이 잘 발생하지 않는 동파이프를 사용하는 것이 바람직할 것이다.

이중진공관(50)은 외관(51)과 내관(52)사이가 진공으로 되어 있는 관으로서 투명재질로 되어있다. 일반적으로, 태양열 집열기에 사용되는 이중진공관(50)은 고진공으로 인한 외부 대기압에 견딜 수 있어야 하기 때문에 통상적으로 원통 형태로 구성함이 바람직할 것이다.

상기 이중진공관(50)의 내관(52)의 외부표면은 태양으로부터 발산되는 태양열의 효율적인 흡수를 위해 흡수율은 높고 방사율은 적은 선택적흡수막코팅이 처리되도록 하는 것이 바람직할 것이다.

또한, 이중진공관(50)의 재질은 태양열의 흡수에 따른 고온에서도 잘 파손되지 않도록 강화재질을 사용하는 것이 바람직할 것이다.

반사판(60)은 태양으로부터 발산되는 열의 효율적인 집열을 하고자 반사율이 높은 재질을 사용하는 것이 바람직할 것이며, 이를 위해 상기 반사판(60)에 반사율을 높이기 위한 별도의 도금처리를 하거나 반사필름, 은박지 등을 박막으로 가공하여 별도의 접착수단을 이용하여 부착시키는 것이 가능할 것이다.

일반적으로 이중진공관(50)을 비껴 지나가는 태양복사의 경우 반사되는 면의 성질에 따라 다르나 대부분 흡수되거나 반사되지만 이중진공관(50)에 초점이 맞는 경우는 드물다. 따라서 초점이 이중진공관(50)의 뒷면을 균일하게 조사하도록 설계된 반사판을 태양열 집열기 하측에 설치함으로써 직접 태양복사를 흡수하는 동시에 비껴가는 성분도 다시 반사하여 집열함으로써 고효율의 집열성능을 나타내게 된다.

열전달 플레이트(70)는 이중진공관(50)의 내주면에 밀착하여 설치되며 적어도 하나 이상의 가열관(40)을 감싸도록 설치된다. 열전달 플레이트(70)의 재질은 금속물 또는 합성수지물을 사용하여도 무방하나 열전달 계수가 높은 금속을 사용함이 타당하다.

또한, 열전달 플레이트(70)는 일측이 길이방향을 따라 절개되어, 이중진공관(50)의 내측에 삽입, 결합 되는 경우 이중진공관(50)의 내주면에 밀착되어 결합된다. 또한, 열전달 플레이트(70)는 내면으로부터 내측으로 적어도 하나 이상의 끼움돌부(71)가 형성되고, 끼움돌부(71)의 일 측에 가열관(40)이 억지끼움되는 끼움홈이 형성되도록 구성한다. 상기 끼움홈에 가열관을 삽입함으로써, 열전달 플레이트(70)와 가열관(40)의 접촉면이 넓어지고, 이중진공관(50)에 집열된 열이 열전달 플레이트(70)를 통해 가열관(40) 내부에 있는 열매체로 더욱 효율적으로 전달되게 된다.

이하에서 상기와 같은 구성을 갖는 본 발명의 작용에 대해서 설명한다.

태양으로부터 발산된 태양열은 이중진공관(50)의 외관(51)을 통과하여 코팅 처리된 내관(52)의 외부표면에 집열된다. 내관(52)의 외부표면에 집열된 열은 열전달 플레이트(70)를 통해 가열관(40)으로 전도되고, 가열관(40)내에 있는 열매체를 가열시킨다.

온도가 상승된 열매체는 밀도차에 의하여 가열관(40) 상단으로 상승하여 열매체 유입관(10)을 통해 축열탱크(10)로 유입된다. 축열탱크(10)에 유입된 열매체는 축열탱크(10)내부에 흐르는 냉수와 상호열교환을 하여 열매체가 가지고 있는 열에너지를 냉수에 공급하게 된다. 상호열교환에 의해 차가워진 열매체는 열매체 환수관(30)을 통해 가열관(40)으로 재공급된다.

도 5에 나타낸 바와 같이 본 발명에서 한 겹 이상의 진공부분(53)를 가진 이중진공관(50)을 사용하는 것은 태양으로부터 상기 이중진공관(50)의 표면이 태양열을 받아서 집열되면, 이때 가열관(40)에 열매체가 채워진 상태에서 온도가 상승한 상기 열매체는 진공부분(53)에 의해 외부 공기와의 단열을 시켜주기 때문에 장시간 동안 보온유지에 유리하기 때문이다.

도 6은 본 발명에 따른 이중진공관을 이용한 평판형 집열기의 부분절개사시도이다.

본 발명은 상부관(20)을 감싸며 설치되는 하우징(80)을 포함할 수 있으며, 하우징(80)의 측면에는 이중진공관을 끼우는 홀을 가지며, 이중진공관(50)을 고정시키는 패킹부재(90)를 포함하도록 구성할 수 있다.

상기 하우징(80)은 내측에 상부관(20)을 감싸며 설치되는 단열재를 포함하도록 구성할 수 있다.

상기 패킹부재(90)는 나사/볼트결합으로 구성할 수 있으며,

상기 하우징(80)과 단열재 및 패킹부재(90)는 하부관(30)측에도 동일하게 구성할 수 있다.

도 1은 종래 발명에 따른 평판형 태양열 집열기의 개략도.

도 2는 종래 발명에 따른 진공관형 태양열 집열기의 개략도.

도 3은 본 발명에 따른 이중진공관을 이용한 평판형 집열기의 개략도.

도 4는 본 발명에 따른 이중진공관을 이용한 평판형 집열기의 부분절개사시도.

도 5는 본 발명에 따른 이중진공관을 이용한 평판형 집열기의 부분절개단면도.

도 6은 본 발명에 따른 이중진공관을 이용한 평판형 집열기의 부분절개사시도.

10 : 축열탱크 11 : 열매체 유입관

12 : 열매체 환수관 20 : 상부관

30 : 하부관 40 : 가열관

50 : 이중진공관 51 : 외관

52 : 내관 53 : 진공부분

60 : 반사판 70 : 열전달 플레이트

71 : 끼움돌부 80 : 하우징

90 : 패킹부재

Claims (4)

1. 축열탱크와 연통되어 열매체가 유출입되는 평판형 태양열 집열기에 있어서,

   일단이 상기 축열탱크의 일측과 결합되는 열매체 유입관과;

   양단 중 어느 하나의 일단부가 상기 열매체 유입관의 타단과 결합되는 상부관과;

   일단이 상기 축열탱크의 타측과 결합되는 열매체 환수관과;

   양단 중 어느 하나의 일단부가 상기 열매체 환수관의 타단과 결합되는 하부관과;

   일단이 상기 상부관의 일측과 연결되고, 타단이 상기 하부관의 일측과 연결되어 상기 상부관과 상기 하부관의 내부공간을 연통하는 적어도 하나 이상의 가열관과;

   상기 가열관의 외주면을 감싸도록 설치되고, 외관과 내관 사이가 진공으로 되어있는 이중진공관을 포함하는 것을 특징으로 하는 이중진공관을 이용한 평판형 집열기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 이중진공관의 내면에 접하도록 설치되며, 상기 가열관의 외주면 일측이 내면에 접하도록 하는 열전달 플레이트를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 이중진공관을 이용한 평판형 집열기.
3. 제 2항에 있어서,

   상기 열전달 플레이트는 일측이 길이방향을 따라 절개되는 것을 특징으로 하며, 상기 열전달 플레이트는 내면으로부터 내측으로 끼움돌부가 형성되고, 상기 끼움돌부의 일 측에 상기 가열관이 억지끼움되는 끼움홈이 형성되는 것을 특징으로 하는 이중진공관을 이용한 평판형 집열기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 집열기의 하측에 상기 이중진공관과 동일한 방향의 원형굴곡된 형상의 반사판이 설치되는것을 특징으로 하는 이중진공관을 이용한 평판형 집열기.

Images