KR101224229B1 - 열매체 직접 가열식 이중 진공관 집열기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열매체 직접 가열식 이중 진공관 집열기에 관한 것으로서, 헤더와 연통되게 설치되는 이중 진공관은 그 내부에 설치되어 이중 진공관의 내측면과 이격된 유로를 형성하는 비금속의 배리어를 포함하는 열매체 직접 가열식 진공관 집열기를 구성함으로써, 이중 진공관에 집열된 태양열이 열매체에 직접 전달될 뿐 아니라 진공관과의 접촉면적 및 열 흡수시간이 확대되어 높은 열효율과 고온을 얻을 수 있게 된다.

Description

열매체 직접 가열식 이중 진공관 집열기{Evacuated glass tube solar collector with barrier guide}

본 발명은 태양열 집열기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이중 진공관 내부를 유동하는 열매체가 태양열을 직접 흡수할 수 있도록 최적의 열매체 수용공간을 확보함과 동시에 태양열을 흡수할 수 있는 충분한 시간과 면적이 증대되어 열교환효율을 향상시킬 수 있는 열매체 직접 가열식 진공관 집열기에 관한 것이다.

일반적으로, 태양열을 이용하여 열매체를 가열하기 위한 태양열 집열기는 외형적인 구조와 적용성을 고려하여 평판형 태양열 집열기와 진공관형 태양열 집열기로 구분된다.

평판형 태양열 집열기는 열매체를 직접 집열기에서 가열시켜 이용하며, 혹한기에는 부동액을 열매체로 하여 집열기 내에서 순환시켜 가열한 후, 가열된 부동액이 다시 물을 가열시키는 방식으로 이루어진다. 집열판이 태양열에 의해 가열되면 가열된 집열판으로부터 대류에 의해 외부로 열손실이 발생하는 등의 단점이 있어, 평판형 태양열 집열기는 그 적용의 한계가 있었다.

이중 진공관형 태양열 집열기는 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 태양열을 흡수하는 이중 유리진공관(10) 내 측면에 구리 등의 소재로 된 열전달판(11)을 밀착시켜 구비한 후, 히트파이프(20)나 U자 형상의 열매체관(30)를 이중 진공관(10)에 삽입된 열전달판(11)에 삽입하는 방식으로 구성된다.

따라서, 열전달판(11)에서 열을 흡수한 후, 흡수된 열을 다시 히트파이프(20)나 열매체관(30)으로 전달하여 히트파이프(20)나 열매체관(30) 내부의 열매체를 가열하는 2차 열전달 방식으로 이루어져 있어, 이와 같이 다단계의 열전달 과정에 의해 열전달 효율이 저하되게 된다.

더욱이, 히트파이프(20)는 동관 내에 열매체를 진공으로 밀봉시켜 작동을 하는데, 만약 작동 중 히트파이프(20)의 진공이 파괴되면 진공이 파괴된 히트파이프(20)는 기능을 상실하게 되고, 이는 곧 이중 진공관 집열기의 수명과 성능에 악영향을 끼치게 되므로 히트파이프(20)의 진공유지에 각별한 신경을 써야 하는 단점이 있다.

그리고, U자 형상의 열매체관(30)은 통상 진공관 1주당 열매체관(30)의 길이가 진공관(10) 길이의 2배로서 그만큼 열매체관(30)의 길이가 길어지는 단점이 있고, U자 형태로 된 열매체관(30)의 입출구가 급격한 구배로 형성되기 때문에, 열매체의 순환도 종종 원활치 못할 뿐더러 작동 중 배관 내에 에어트러블이 발생되어 열교환 기능이 떨어지게 되는 단점이 있었다.

또한, 도 1c에 개시된 이중 진공관형 태양열 집열기는 열매체를 직접 가열하는 방식으로, 태양열을 흡수하는 이중진공관(10)에 열매체를 직접 접촉시켜 열을 회수하는 방식으로서, 히트파이프방식이나 U자관 방식보다는 간단하고 제조원가가 낮은 방법이나, 진공관 내부에 가득 차있는 열매체량이 열교환 면적에 비해 과대하여 가열시간이 길게 소요되어 집열된 열량을 신속히 이동시켜 활용할 수 없는 단점이 있었다.

그리고, 진공관(10)은 축열조(40)에 직접 삽입하여 설치되고, 축열조(40) 내의 물을 직접 가열하는 형태로 주로 사용되고 있는데, 이는 진공관(10)의 파손 시 진공관(10) 내의 물 뿐만 아니라 축열조(40) 내의 물이 모두 누수되는 단점이 있고, 태양열에 의해 가열된 진공관(10) 내부로 물이 갑자기 유입되게 되면 열응력에 의해 진공관(10)이 파손되는 열쇼크 현상이 발생하는 등의 단점이 있었다.

또, 상기한 열매체 직접 가열방식에서는 열흡수 과정에서 태양열로 가열된 유리진공관(10)과 열매체가 아무런 접촉 저항없이 통과하는 정도의 접촉만으로 열교환이 이루어지고 있으므로, 태양열로 가열된 유리진공관(10)으로부터 열회수가 충분히 효율적으로 이루어지지 못하는 단점이 있다. 특히, 이러한 단점은 겨울철 얼음이 어는 지역에서는 동파문제를 야기시킬 수 있으므로, 그 사용 범위가 상당히 제한적이게 된다.

한편, 이와 같이 열전달용으로 사용되는 열전달판(11)은 비철금속 소재로 형성되는 바, 이러한 비철금속은 고가이므로 제조원가를 상승시키는 요인이 되었고, 이러한 제조원가 상승은 태양열 온수기의 원활한 보급을 저해하는 요인으로 작용되었다.

또한 종래의 히트파이프 방식이나 U자관 방식은 금속의 정밀가공을 수반하므로 설비 투자비, 가공비, 고기능 인력비용 등이 소요되므로 역시 제조원가를 상승시키는 원인을 제공하게 된다.

따라서, 본 발명은 전술한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 진공관 내에 유리와 같은 비철금속의 배리어를 설치함에 의해 진공관내에 필요한 만큼의 열매체만이 흐르도록 하여 단시간 내에 열매체에 태양열의 집열이 이루어지도록 하는 열매체 직접 가열식 이중 진공관 집열기를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은 집열된 상태의 열매체를 열 저장탱크로 신속히 이동 및 축열하는 과정을 연속 반복시킴으로써 열효율을 높이는 것과 함께, 집열된 태양열이 진공관 내부의 과다한 열매체에 희석되어 저온으로 사장되지 않고 효과적으로 이용될 수 있게 하는 열매체 직접 가열식 이중 진공관 집열기를 제공하는 것을 다른 목적으로 한다.

한편, 본 발명의 다른 목적은, 이중 진공관의 내부에 배리어를 장착함으로써 태양열을 집열하는 진공관과 배리어 사이를 유동하는 열매체가 태양열을 흡수할 수 있는 접촉시간이 충분히 확보되고, 진공관과의 접촉면적이 보다 넓어져 열교환 효율을 향상시킬 수 있도록 한 열매체 직접 가열식 진공관 집열기를 제공하는데 있다.

또, 본 발명의 또 다른 목적은, 배리어를 비금속 소재로 형성함으로써 제조원가를 낮출 수 있고, 이로 인해 태양열 온수기를 대량으로 보급할 수 있도록 한 열매체 직접 가열식 진공관 집열기를 제공함에 있다.

상술한 목적은, 헤더와 연통되게 설치되는 진공관은 그 내부에 설치되어 진공관의 내측면과 이격된 유로를 형성하는 비금속의 배리어를 포함하는 진공관 집열기에 의해 달성된다.

그리고, 상기 진공관은 그 양단부가 개구되고, 상기 진공관의 개구된 양단부에는 각각의 헤더가 연통되게 설치된다.

또, 상술한 목적은, 일단부는 폐쇄되고 타단부의 개구부를 통해 헤더와 연통되게 설치되는 진공관; 상기 진공관의 내부에 설치되어 진공관의 내측면과 이격된 유로를 형성하는 비금속의 배리어; 및 상기 헤더로부터 공급되는 열매체를 진공관의 내측 하부로 공급하는 열매체 공급관을 포함하는 진공관 집열기에 의해서도 달성된다.

그리고, 상기 열매체 공급관은 헤더 중 열매체가 공급되는 헤더에 그 일단부가 연통되게 설치되고, 타단부는 배리어를 관통하여 진공관의 내측 하부에 위치된다.

또, 상술한 목적은, 일단부는 폐쇄되고 타단부의 개구부를 통해 헤더와 연통되게 설치되는 진공관; 상기 진공관의 내부에 설치되어 진공관의 내측면과 이격된 유로를 형성하는 비금속의 배리어; 및 상기 진공관의 개구부에 설치되는 헤더와 진공관 내부의 유로를 격리되게 양분하는 격별;을 포함하는 진공관 집열기에 의해서도 달성된다.

또, 상술한 목적은, 진공관의 개구된 양단부와 헤더 사이에 착탈가능하게 설치되어 진공관과 헤더를 연통시키는 연결관; 및 상기 진공관의 내부에 설치되어 진공관의 내측면과 이격된 유로를 형성하는 비금속의 배리어;를 포함하는 진공관 집열기에 의해서도 달성된다.

그리고, 상기 연결관은 깔때기와 같이 그 내경이 헤더에서 타단부로 갈수록 점차 확대되고, 상기 진공관과 연결관의 결합부위에 설치되어 밀봉하는 기밀부재; 및 상기 기밀부재의 외측면에 설치되어 진공관과 연결관을 클램핑하여 고정시키는 클램프;를 포함한다.

한편, 상기와 같은 배리어는 그 표면에 설치되어 진공관과 배리어 사이의 유로를 흐르는 열매체를 가이드하는 가이더를 더 포함하고, 상기 가이더는 배리어의 표면에 나선형으로 감김되어 설치되거나 또는 다수의 핀이 이격 설치된 핀형으로 설치될 수 있으며, 상기 가이더는 연속 또는 불연속한 형태로 형성될 수 있다.

또한, 상기 배리어는 원추형이나 요철형으로 형성될 수 있고, 상기 배리어에는 열매체 공급관이 축방향으로 관통되어 설치될 수 있다.

본 발명의 열매체 직접 가열식 진공관 집열기에 따르면, 진공관 내부에 비금속의 배리어가 삽입되어 설치됨으로써 진공관에 집열된 태양열이 열매체에 직접 전달될 뿐 아니라 진공관과의 접촉면적 및 열흡수 시간이 확대되어 높은 열효율과 고온을 얻을 수 있고, 이로 인해 저온의 생활온수 활용의 단순범위에서 중온수대인 냉,난방 산업용 열, 해수 담수화, 태양열 발전 등의 분야로 그 활용 범위가 대폭 확대되는 효과가 있다.

또, 본 발명에 따르면, 배리어가 저가의 비금속 소재로 형성됨으로써 제조원가가 절감되어 대량생산 및 대량보급이 가능하게 되고, 이로 인해 활용분야가 대폭 확대되므로 화석연료의 대체효과가 커 신재생에너지의 보급이 확대되어 환경보호에도 기여할 수 있는 효과가 있다.

도 1a 내지 도 1c는 종래의 진공관 집열방식을 도시한 도면으로서, 도 1a는 히트파이프 방식의 진공관을 도시한 도면이고, 도 1b는 U관 방식의 열매체관을 도시한 도면이며, 도 1c는 열매체 직접가열방식의 진공관을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 단면 구성도이다.
도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 단면 구성도이다.
도 4는 본 발명의 제 3 실시예에 따른 단면 구성도이다.
도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 단면 구성도이다.
도 6은 본 발명에 따른 배리어의 다른 실시예를 보인 도면이다.
도 7a 내지 도 7c는 본 발명에 따른 배리어에 형성된 가이더의 실시예를 보인 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 나선형 가이더를 보인 도면이다.
도 9는 본 발명에 따라 제품화된 집열기의 도면이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명한다.

먼저, 도 2는 본 발명의 제 1 실시예에 따른 열매체 직접 가열식 진공관 집열기를 도시한 단면 구성도이다.

본 발명의 열매체 직접 가열식 진공관 집열기(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 진공관(300)의 내부에 비금속의 배리어(barrier)(400)가 삽입되어 설치된다.

즉, 상기 진공관(300)은 그 상하면이 개구된 중공의 원통 형상으로 형성된 투명한 유리관으로서, 개구된 진공관(300)의 상하면에는 각각 헤더(200)(210)가 연통되게 설치된다. 이때, 상기 이중 진공관(300)의 내주면상에는 태양열 흡수막이 코팅되어 있다.

상기 진공관(300)의 상하면에 위치한 헤더(200)(210) 중 하부의 헤더는 공급헤더(200)로 형성되고, 상부의 헤더는 배출헤더(210)로 형성되지만, 이에 국한되거나 한정되지 않고 반대로 형성될 수도 있다.

그리고, 상기 배리어(400)는 원기둥 형상으로 형성되고, 진공관(300)의 내부로 삽입되어 진공관(300)의 내측면과 일정간격으로 이격된 상태로 설치된다.

따라서, 상기 배리어(400)는 진공관(300)의 내부공간을 채우는 충진체로서, 진공관(300) 내부로 공급되는 적정량의 열매체는 진공관(300)과 배리어(400) 사이에 형성되는 좁은 공간 즉 유로(500)를 통해서만 유동하게 됨으로써 태양열을 충분히 단시간에 흡수하므로 가열효과가 향상될 뿐 아니라 열매체의 체류시간을 조절하므로 높은 온도의 열교환 효과를 얻을 수 있다.

더욱이, 상기한 유로(500)를 지나는 열매체의 체류시간을 더 확보하기 위해, 도 2에서와 같이 배리어(400)의 표면 즉 외측면(이하 "외측면' 이라 한다)에는 유로(500)를 유동하는 열매체를 가이드하기 위한 나선형의 가이더(410)를 형성할 수도 있다.

이와 같이 형성되는 가이더(410)는 다양한 형태의 구조로 형성될 수 있지만, 상기 가이더(410)는 그 외측 단부가 진공관(300)의 내측면에 접하는 한편, 배리어(400)의 외측면에 연속한 나선형의 형태로 형성되는 것이 바람직하지만, 불연속한 나선형의 형태로 형성될 수도 있다.

여기서, 미설명부호 "330"은 실링을 위한 기밀부재를 도시한 것이다.

따라서, 상기와 같이 구성된 집열기(100)는 도 2에 도시된 바와 같이, 하부의 공급헤더(200)를 통해 진공관(300)의 하부로 공급된 열매체는 진공관(300)과 배리어(400) 사이의 좁은 유로(500)로 유입되고, 유로(500)로 유입된 열매체는 도 2의 화살표와 같이 배리어(400)의 외측면에 형성된 나선형의 가이더(410)에 의해 가이드되어 진공관(300)의 상부로 유입된다.

이때, 진공관(300)과 배리어(400) 사이의 좁은 유로(500)로 인해 열매체는 진공관(300)과의 접촉면적이 보다 넓어지는 한편 태양열과 접촉할 수 있는 충분한 시간이 확보됨으로써 태양열을 충분히 흡수하여 집열효과 및 열교환율이 향상된다.

이와 같이 직접 가열된 열매체는 진공관(300)의 상부로 유입되어 상부의 배출헤더(210)를 통해 축열조 측으로 배출된다.

도 3은 본 발명의 제 2 실시예에 따른 열매체 직접 가열식 진공관 집열기를 도시한 단면 구성도로서, 본 실시예를 설명하기에 앞서, 전술한 실시예와 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 집열기(100)는 도 3에 도시된 바와 같이, 진공관(300a)의 내부에 비금속의 배리어(barrier)(400)가 삽입되어 설치되고, 상기 배리어(400)에는 열매체 공급관(600)이 관통되어 설치된다.

즉, 상기 이중 진공관(300a)은 그 하면은 폐쇄되고 상면만이 개구된 이중 진공관(300a)의 상면에는 각각 헤더(200)(210)가 연통되게 설치된다. 특히, 도 3에서 보듯이, 양 헤더(200)(210) 중 상부의 헤더는 열매체를 이중 진공관(300a) 내부로 공급하는 공급헤더(200)로 형성되고, 상기 공급헤더(200) 하부의 헤더는 이중 진공관(300a) 내부를 순환한 열매체가 배출되는 배출헤더(210)로 형성되지만, 이에 국한되거나 한정되지 않고 반대로 형성될 수도 있다.

그리고, 상기 배리어(400)는 그 외측면에 나선형의 가이더(410)가 형성된 원기둥 형상으로서, 전술한 제 1 실시예의 배리어(400)와 동일하므로 반복되는 설명은 생략한다.

한편, 상기 공급헤더(200)에는 열매체를 이중 진공관(300a)의 내측 하부로 직접 공급하기 위한 열매체 공급관(600)이 설치되고, 이 열매체 공급관(600)은 도 3에서와 같이 배리어(400)의 상하 축방향으로 관통되어 설치된다.

따라서, 상기와 같이 구성된 집열기(100)는 도 3에 화살표로 도시된 바와 같이, 공급헤더(200) 내부의 열매체가 열매체 공급관(600)을 통해 이중 진공관(300)의 내측 하부로 공급되고, 이와 같이 공급된 열매체는 이중 진공관(300)의 내측 하부에서 이중 진공관(300a)과 배리어(400) 사이의 좁은 유로(500)를 지나 배출헤더(210)를 통해 축열조 측으로 배출된다.

물론, 본 실시예에서도 이중 진공관(300)과 배리어(400) 사이의 좁은 유로(500)를 지나는 열매체는 이중 진공관(300)과의 접촉면적이 보다 넓어지는 한편 태양열과 접촉할 수 있는 충분한 시간이 확보됨으로써 태양열을 충분히 흡수하여 가열효과 및 열교환율이 향상되는 효과가 있다.

도 4a와 도 4b는 본 발명의 제3 실시예에 따른 열매체 직접 가열식 진공관 집열기를 도시한 단면 구성도로서, 도 4a는 종 단면도이고, 도 4b는 상기 4a의 평면도이다.

참고로, 본 실시예를 설명하기에 앞서, 전술한 실시예들과 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 집열기(100)는 도 4a와 도 4b에 도시된 바와 같이, 진공관(300a)의 내부에 비금속의 배리어(400)가 삽입되어 설치된다.

상기 이중 진공관(300a)은 그 하면은 폐쇄되고 상면만이 개구된 이중 진공관으로서, 전술한 제 2 실시예의 이중 진공관(300a)과 동일하고, 상기 배리어(400) 역시 그 자체로 사용할 수도 있고, 배리어(400)의 외측면에 나선형의 가이더(410)를 형성한 형태로 사용할 수도 있다.

또한, 상기 이중 진공관(300a)의 개구된 상면에는 두 개의 헤더(200)(210)가 이중 진공관(300a)의 상면을 양분하도록 설치된다. 이를 위해 상기 양 헤더(200)(210)의 사이에는 헤더(200)(210)가 서로 연통되지 않도록 배리어(400)의 상측부에 헤더 격벽(700)이 설치되어 양 헤더(200)(210)는 서로 차단된다. 이와 함께 진공관 격벽(700a)은 배리어(400)의 외측 원주면과 이중 진공관(300a)의 내측면 사이에 헤더 격벽(700)과 일직선으로 연결되도록 형성시켜 열매체의 공급과 배출기능이 분리되도록 한다.

따라서, 상기와 같이 구성된 집열기(100)는 도 4a에 화살표로 도시된 바와 같이, 우측의 공급헤더(200)를 통해 진공관(300a)으로 공급되는 열매체는 격벽(700)에 의한 진공관(300a)과 배리어(400) 사이의 우측부 유로(500)를 통해 진공관(300a)의 내측 하부로 유입되고, 이와 같이 공급된 열매체는 진공관(300a)의 내측 하단부를 통해 다시 반대편의 좌측 유로(500)를 통해 좌측의 배출헤더(210)로 유입되어 축열조 측으로 배출된다.

상기 격벽(700,700a)에 의해서 열매체는 진공관(300a)과 배리어(400) 사이의 좁은 유로(500)를 우측에서 좌측으로 순회하여 배출됨으로써 진공관 내부에서의 접촉면적 및 체류시간이 증대되어 가열효과와 열교환율이 향상되는 효과가 있다.

이때, 상기 실시예에 형성된 유로(500)의 경우에 있어서, 우측은 음지부가 되고, 좌측은 양지부가 되도록 하는 것이 바람직하다.

한편, 상기 진공관(300a)은 진공관 스토퍼(stopper)(350)와 상기 스토퍼(350)의 둘레를 따라 형성된 관통공(353)을 통과하는 체결볼트(360)에 의해 상측 헤드부 저부에 결합된다. 이때, 상기 헤드부 저부와 상기 스토퍼(350)의 사이에는 기밀부재(330)가 삽입되도록 하여 결합하는 두 구성부재간의 기밀성이 좋도록 하여 수용된 열매체의 누설이 방지되도록 한다.

도 5는 본 발명의 제 4 실시예에 따른 열매체 직접 가열식 진공관 집열기를 도시한 단면 구성도로서, 본 실시예를 설명하기에 앞서, 전술한 실시예들과 동일한 부분에 대해서는 동일한 부호를 부여하고, 중복되는 설명은 생략한다.

본 실시예에 따른 집열기(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 이중 진공관(300)의 내부에 비금속의 배리어(barrier)(400)가 삽입되어 설치되고, 상기 이중 진공관(300)은 그 상하면에 각각의 연결관(310)(320)을 매개로 헤더(200)(210)가 설치된다.

즉, 상기 이중 진공관(300)은 전술한 제1 실시예의 이중 진공관(300)과 마찬가지로 그 상하면이 개구된 중공의 원통 형상의 유리로 형성된 이중 진공관으로서, 개구된 이중 진공관(300)의 상하면에는 각각 헤더(200)(210)가 연통되게 설치된다. 이와 같이 설치된 헤더(200)(210) 역시도 전술한 제 1 실시예와 같이 하부의 헤더는 공급헤더(200)로 형성되고, 상부의 헤더는 배출헤더(210)로 형성되지만, 이에 국한되거나 한정되지 않고 반대로 형성될 수도 있다.

그리고, 상기 이중 진공관(300)은 그 상하면에 콘 또는 깔대기 형상으로 형성된 별도의 연결관(310)(320)이 설치되고, 이 연결관(310)(320)은 헤더(200)(210)에 각각 연통되게 설치된다.

한편, 상기 진공관(300)과 연결관(310)(320)의 결합부위에는 결합부위를 밀봉하는 내열성의 기밀부재(330)가 설치되며, 상기 기밀부재(330)의 외측면에는 진공관(300)과 연결관(310)(320)을 클램핑하는 클램프(340)가 설치된다.

이때, 상기 기밀부재(330)는 밀봉력이 우수하고 내열성이 좋은 고무나 실리콘 재질로 형성될 수 있고, 상기 클램프(340)는 당업계에서 통상적으로 사용되는 클램프로서 잠금과 해제가 용이한 클램프면 만족한다.

한편, 다른 예로는 도시되지는 않았지만, 전술한 실시예의 연결관(310)(320) 없이 진공관(300)이 상하부의 헤더(200)(210)에 일체로 성형되거나 또는 상하부의 헤더(200)(210)에 직접 결합되어 설치될 수도 있다. 하지만, 본 실시예에서와 같이, 진공관(300)의 상하부를 연결관(310)(320)을 매개로 하여 헤더(200)(210)에 조립하는 것이 진공관(300)의 교체가 용이하여 더 좋다.

그리고, 상기 배리어(400)는 그 외측면에 나선형의 가이더(410)가 형성된 원기둥 형상으로서, 전술한 제 1 실시예의 배리어(400)와 동일하므로 이의 반복되는 설명은 생략한다.

따라서, 상기와 같이 구성된 집열기(100)는 도 5에 도시된 바와 같이, 하부의 공급헤더(200)를 통해 진공관(300)의 하부로 공급된 열매체는 하부의 연결관(320)을 지나 진공관(300)과 배리어(400) 사이의 좁은 유로(500)로 유입되고, 유로(500)로 유입된 열매체는 배리어(400)의 외측면에 형성된 나선형의 가이더(410)에 의해 가이드되어 상부의 연결관(310)을 지나 진공관(300)의 상부로 유입된다.

이때, 진공관(300)과 배리어(400) 사이의 좁은 유로(500)로 인해 열매체는 적정 소요량만이 가열되므로 쉽게 고온으로 상승하게 되는 장점이 있다. 또한, 배리어 가이더(410)의 유도에 따라 열매체가 이동하게 되므로 태양열과 접촉할 수 있는 충분한 시간이 확보되고, 이중 진공관(300)과의 접촉면적도 보다 넓어져 태양열의 흡수가 보다 용이하게 이루어져 열매체의 가열효과 및 열 교환율이 향상된다.

이와 같이 직접 가열된 열매체는 진공관(300)의 상부로 유입되어 상부의 배출헤더(210)를 통해 축열조 측으로 배출된다.

도 6은 본 발명에 따른 배리어의 다른 실시예로서, 본 실시예의 배리어(400a)는 이중 진공관(300)(300a)의 내부에 삽입되어 설치되는 것으로, 원추형상으로 형성될 수 있다.

특히, 배리어(400a)의 직경이 넓은 부위 즉 대경부가 배출헤더(210) 측으로 위치되어 이중 진공관(300)(300a)의 출구를 조절할 수 있고, 이와 같이 출구가 조절된 이중 진공관(300)(300a)은 그 내부를 유동하는 열매체의 유동속도를 더 늦추어 열매체의 체류시간을 연장하므로 열교환 효과를 향상시킬 수 있게 된다.

그리고, 본 실시예에서는 도시되지는 않았지만, 원추형상의 배리어(400a) 외측면에 나선형의 가이더를 설치함에 의해 열매체의 유동속도를 더 늦춰 열교환 효과를 극대화할 수 있고, 상기 배리어(400a)에는 배리어(400a)를 상하로 관통하는 열매체 공급관(600)이 설치될 수도 있다.

도 7a는 본 발명에 따른 가이더의 일례로서, 본 실시예의 가이더(410)는 진공관(300)(300a)과 배리어(400)(400a) 사이의 유로를 유동하는 열매체를 일방향으로 안정적으로 가이드할 수 있는 나선형으로 형성된다.

도 7b는 본 발명에 따른 가이더의 다른 실시예로서, 본 실시예의 가이더(410a)는 배리어(400)(400a)의 외측면에 다수의 핀이 일정간격으로 형성된 핀형 가이더이다. 특히, 베리어(400)(400a)의 표면에 핀을 지그재그형으로 설치하면 이중 진공관(300)(300a)과 배리어(400)(400a) 사이의 유로를 흐르는 열매체의 유동속도와 시간을 조절할 수 있어 진공관과 고루 접하여 가열효과가 향상된다.

도 7c는 배리어(400b)의 외측면에 별도의 가이더를 형성하지 않고, 배리어(400b)의 외측면이 요철형으로 형성된 배리어의 다른 실시예이다.

아울러, 도 7b와 도 7c에서 상기 배리어(400a,400b)에는 배리어를 상하로 관통하는 열매체 공급관(600)이 설치될 수도 있다.

도 8은 나선형의 가이더(410)를 예시한 것으로, 가이더(410)가 연속하여 형성되는 것이 도 7b와 같은 불연속의 형으로 한 것보다 열매체를 더욱 안정적으로 가이드할 수 있는 장점이 있다.

한편, 본 실시예와 같은 가이더(410)(410a)가 형성된 배리어(400)에도 전술한 도 6에서와 같이, 열매체 공급관(600)이 배리어(400)를 상하 축방향으로 관통하여 설치될 수도 있다.

도 9는 본 발명에 따른 진공관과 배리어가 설치되어 제품화된 집열기로서, 각각 배리어(400)(400a)가 삽입되어 있는 다수의 이중 진공관(300)(300a)이 종방향으로 이격되어 설치되고, 이와 같이 설치된 다수의 이중 진공관(300)(300a) 상면에는 각각 공급헤더(200)와 배출헤더(210)가 연통되게 설치된 집열기(100)를 예시하였으나, 양 헤더 중 공급헤더(200) 또는 배출헤더(210)는 이중 진공관(300)(300a)의 좌,우측에 구성될 수도 있다.

한편, 이상과 같은 본 발명의 집열기(100)를 통해 고온의 열교환을 할 때는, 가이더(410)(410a)가 조밀하게 형성된 배리어(400)(400a)를 이중 진공관(300)(300a)에 삽입하여 설치함으로써 조밀한 가이더(410)(410a)의 간격에 의해 열매체가 체류하는 시간이 지연되므로 보다 높은 온도의 열교환 효과를 얻을 수 있게 된다.

그리고, 열매체는 이중 진공관(300)(300a) 내부에 설치된 배리어(400)(400a)의 가이더(410)(410a)를 따라서 유동하므로 접촉저항을 받게 되어 이중 진공관(300)(300a)과의 접촉시간이 길어지는 한편 보다 넓은 접촉면적을 갖게 되어 이중 진공관(300)(300a)으로부터 열을 보다 효율적으로 직접 회수할 수 있게 된다.

따라서, 이와 같이 열교환을 함으로써 종래의 열전달판(11) 등을 통한 2차 열전달 과정을 생략하게 되므로 보다 높은 효율로 열을 직접 회수할 수 있게 된다.

그리고, 이중 진공관(300)(300a)의 내부에 삽입되어 설치되는 배리어(400)(400a)를 저가이면서 조달하기 쉽고, 가공이 용이한 비금속 소재로 형성함으로써 배리어(400)(400a)를 성형함에 있어 특별한 고가의 장비나 기술인력이 필요 없어 제조 가공비가 대폭 절감되어 제조원가를 대폭 절감시킬 수 있으므로 대량생산 및 보급이 가능하게 된다.

이러한 배리어(400)(400a)의 소재로는 플라스틱이나 유리 류를 사용할 수도 있다.

그리고, 상기와 같이 구성된 이중 진공관 집열기는 태양열 집열형태가 자연 순환식이든 강제 순환식이든 어느 형태에도 적용할 수 있다.

10 : 진공관 11 : 열전달판
20 : 히트파이프 30 : 열매체관
40 : 축열조
100 : 집열기 200,210 : 헤더(header)
300,300a : 진공관 310,320 : 연결관
330 : 기밀부재 340 : 클램프
350 : 진공관 스토퍼 360 : 체결볼트
400,400a : 배리어(barrier) 410,410a : 가이더
500 : 유로 600 : 열매체 공급관
700 : 헤더 격벽 700a : 진공관 격벽

Claims (15)

1. 이중 진공관(300)과;
   상기 이중 진공관(300)의 내부에 설치되어 이중 진공관의 내측면과 이격된 유로를 형성하는 비금속의 배리어(400); 를 포함하며,
   상기 이중 진공관(300)은 그 양단부가 개구되고, 상기 이중 진공관(300)의 개구된 양단부에는 각각의 헤더(100,200)가 연통되게 설치되는 이중 진공관 집열기.
2. 삭제
3. 일단부는 폐쇄되고 타단부의 개구부를 통해 헤더(210)와 연통되게 설치되는 이중 진공관(300a)과;
   상기 이중 진공관(300a)의 내부에 설치되어 이중 진공관(300a)의 내측면과 이격된 유로를 형성하는 비금속의 배리어(400); 및
   상기 헤더(210)로부터 공급되는 열매체를 이중 진공관의 내측 하부로 공급하는 열매체 공급관(600); 을 포함하며,
   상기 열매체 공급관(600)은 헤더 중 열매체가 공급되는 헤더(200)에 그 일단부가 연통되게 설치되고, 타단부는 배리어(400)를 관통하여 이중 진공관(300a)의 내측 하부에 위치되는 이중 진공관 집열기.
4. 삭제
5. 일단부는 폐쇄되고 타단부의 개구부를 통해 헤더와 연통되게 설치되는 이중 진공관(300a);
   상기 이중 진공관(300a)의 내부에 설치되어 이중 진공관(300a)의 내측면과 이격된 유로를 형성하는 비금속의 배리어(400);
   상기 배리어(400)의 상측에 설치되어 헤더를 양분하여 서로 연통되지 않도록 하는 헤더 격벽(700); 및
   상기 배리어(400)의 외측 원주면과 진공관의 내측면 사이에 상기 헤더 격벽(700)과 연결되도록 형성시켜 열매체의 공급과 배출기능을 분리시키는 진공관 격벽(410);을 포함하는 이중 진공관 집열기
6. 양단부가 개구되고, 상기 개구된 양단부에는 각각의 헤더(200,210)가 연통되게 설치된 이중 진공관(300)과;
   상기 이중 진공관(300)의 개구된 양단부와 헤더 사이에 착탈가능하게 설치되어 이중 진공관과 헤더를 연통시키는 연결관(310); 및
   상기 이중 진공관(300)의 내부에 설치되어 이중 진공관의 내측면과 이격된 유로를 형성하는 비금속의 배리어(400)와;
   상기 이중 진공관(300)과 연결관(310)의 결합부위에 설치되어 밀봉하는 기밀부재(330); 및
   상기 기밀부재(330)의 외측면에 설치되어 이중 진공관과 연결관을 클램핑하여 고정시키는 클램프(340);를 포함하며,
   상기 연결관(310)은 그 내경이 일단부에서 타단부로 갈수록 점차 확대되는 이중 진공관 집열기.
7. 삭제
8. 삭제
9. 청구항 1, 3, 5, 6 중 임의의 어느 한 항에 있어서,
   상기 배리어는 그 표면에 설치되어 진공관과 배리어 사이의 유로를 흐르는 열매체를 가이드 하는 가이더를 더 포함하며,
   상기 가이더는 배리어의 표면에 연속한 형태인 나선형 또는 배리어의 표면에 일정간격으로 설치된 다수의 핀으로 구성되는 핀 형상을 이루는 이중 진공관 집열기.
10. 삭제
11. 삭제
12. 삭제
13. 삭제
14. 삭제
15. 삭제

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