KR101599289B1 - 이중창 구조의 투과체와 vip 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기 - Google Patents

이중창 구조의 투과체와 vip 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이중창 구조의 투과체와 VIP(Vacuum Insulation Panel) 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유리, 공기(봉입재), 폴리머 구조의 중공층을 포함한 이중창 구조로 형성되는 투과체와, VIP 단열재 및 기존 단열재를 복합 성형한 VIP 복합 단열재가 설치됨으로써, 집열기의 열손실율을 최소화하여 고온에서의 집열 효율을 극대화하고, 기존에 난방, 급탕 위주의 적용범위에서 태양열 산업공정열원용, 태양열 냉방용 등으로 적용범위가 확대되며, 기존의 진공관 집열기에 상응하는 고온 이용 범위에서 고효율이 가능한 특징이 있다.

Description

이중창 구조의 투과체와 VIP 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기{VIP insulation and double glazing structure applies to transmitting body flat plate solar collectors}
본 발명은 이중창 구조의 투과체와 VIP(Vacuum Insulation Panel) 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 유리, 공기(봉입재), 폴리머 구조의 중공층을 포함한 이중창 구조로 형성되는 투과체와, VIP 단열재 및 기존 단열재를 복합 성형한 VIP 복합 단열재가 설치됨으로써, 집열기의 열손실율을 최소화하여 고온에서의 집열 효율을 극대화하고, 기존에 난방, 급탕 위주의 적용범위에서 태양열 산업공정열원용, 태양열 냉방용 등으로 적용범위가 확대되며, 기존의 진공관 집열기에 상응하는 고온 이용 범위에서 고효율이 가능한 이중창 구조의 투과체와 VIP 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기에 관한 것이다.
태양열 집열기는 태양에너지를 흡수하여 그 흡수된 열에너지를 저장하여 활용하는 기술로써 집열기의 성능을 높이기 위해서는 크게 두가지 범주의 기술을 적용할 수 있다. 하나는 흡수판의 효율을 높여 광 흡수율을 높이는 기술이고 두 번째는 흡수된 열에너지를 손실없이 이용하는 방법이다.
그런데, 최근 태양열 평판형 집열기의 이용 범위가 점점 고온으로 전환하면서 평판형 태양열 평판형 집열기의 적용은 그 많은 장점에도 불구하고 제한적이다. 평판형 태양열 평판형 집열기는 집열기의 초기 효율이 높은 반면 집열기 투과체 및 이면 단열재를 통한 열손실이 커 고온의 이용범위에는 그 사용이 제한적이다.
특히 집열기의 열손실은 유리판을 통한 열손실이 가장 큰데, 광 투과량을 높여야 하는 점 때문에 유리판을 통한 열손실을 줄이기가 쉽지 않아 문제가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-1084569호
따라서, 본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,
유리, 공기(봉입재), 폴리머 구조의 중공층을 포함한 이중창 구조로 형성되는 투과체와, VIP 단열재 및 기존 단열재를 복합 성형한 VIP 복합 단열재가 설치됨으로써, 집열기의 전면부 열손실 및 후면부의 열손실을 최소화하여 열손실율 저감을 통해 집열기의 효율을 극대화하여, 기존의 집열기가 주로 난방, 급탕 위주의 목적으로 사용된 반면 발명 집열기는 보다 고온의 범위에서 사용할 수 있으며, 그렇기에 태양열 산업공정열원용, 태양열 냉방용, 고온 축열용 등으로 고온의 산업 분야 적용을 통해 집열기의 수요처를 확대할 수 있고, 이러한 고온 이용 범위에 있어서는 종래의 진공관 집열기가 많이 적용되었지만 상가 진공관형 집열기에 상응하는 고온 작동범위에서 고효율이 가능한 중공층을 포함한 이중창 구조의 투과체와 VIP 복합 단열재가 적용되는 태양열 집열기를 제공하는데 목적이 있다.
상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 케이스와;
상기 케이스의 상부에 형성되어 케이스 내부를 밀폐하는 동시에 태양열이 투과되는데, 단열 성능과 투과율을 용이하도록 내부가 중공된 이중창 구조로 형성되는 투과체와;
상기 투과체의 하측에 형성되어 투과체를 투과한 태양열에너지를 집열하는 집열판과;
상기 집열판에 내부에 일체형으로 부착되어 집열판으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부에 이송되는 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 다수개의 동파이프와;
상기 다수개의 동파이프 끝단부에 형성되어 동파이프의 열을 전달받아 외부에 전달하는 헤더부와;
상기 집열판, 동파이프, 헤더부의 하단부를 받쳐주고, 상기 집열판에서 집열된 고온이 외부로 전도되는 것을 단열하는 VIP(Vacuum Insulation Panel) 복합 단열재;
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이중창 구조의 투과체와 VIP 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기에 관한 것이다.
이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 이중창 구조의 투과체와 VIP 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기는 유리, 공기(봉입재), 폴리머 구조의 중공층을 포함한 이중창 구조로 형성되는 투과체와, VIP 단열재 및 기존 단열재를 복합 성형한 VIP 복합 단열재가 설치됨으로써, 집열기의 전면부 열손실 및 후면부의 열손실을 최소화하여 열손실율 저감을 통해 집열기의 효율을 극대화하여, 기존의 집열기가 주로 난방, 급탕 위주의 목적으로 사용된 반면 발명 집열기는 보다 고온의 범위에서 사용할 수 있으며, 그렇기에 태양열 산업공정열원용, 태양열 냉방용, 고온 축열용 등으로 고온의 산업 분야 적용을 통해 집열기의 수요처를 확대할 수 있고, 이러한 고온 이용 범위에 있어서는 종래의 진공관 집열기가 많이 적용되었지만 상가 진공관형 집열기에 상응하는 고온 작동범위에서 고효율이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이중창 구조의 투과체와 VIP 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기의 부분 단면을 나타낸 사시도이고,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이중창 구조의 투과체와 VIP 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기를 나타낸 단면도이다.
본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.
본 발명은 케이스와;
상기 케이스의 상부에 형성되어 케이스 내부를 밀폐하는 동시에 태양열이 투과되는데, 단열 성능과 투과율을 용이하도록 내부가 중공된 이중창 구조로 형성되는 투과체와;
상기 투과체의 하측에 형성되어 투과체를 투과한 태양열에너지를 집열하는 집열판과;
상기 집열판에 내부에 일체형으로 부착되어 집열판으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부에 이송되는 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 다수개의 동파이프와;
상기 다수개의 동파이프 끝단부에 형성되어 동파이프의 열을 전달받아 외부에 전달하는 헤더부와;
상기 집열판, 동파이프, 헤더부의 하단부를 받쳐주고, 상기 집열판에서 집열된 고온이 외부로 전도되는 것을 단열하는 VIP(Vacuum Insulation Panel) 복합 단열재;을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.
따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 이중창 구조의 투과체와 VIP 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기의 부분 단면을 나타낸 사시도이고, 도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 이중창 구조의 투과체와 VIP 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기를 나타낸 단면도이다.
도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 본 발명의 이중창 구조의 투과체와 VIP 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기는 케이스(10)와, 투과체(20)와, 집열판(30)과, 동파이프(40)와, VIP 복합 단열재(60)로 구성되는데, 상기 집열기(100)의 케이스(10)는 직접 건물 등에 부착되거나 받침대 같은 시설물에 의해 건물에 설치되고, 그렇게 설치된 집열기(100)는 태양에너지의 열을 흡수하여 열원을 필요한 곳에 전달함으로써, 난방, 온수 등에 사용되며, 그렇게 사용된 열원은 다시 집열기(100)에 리턴되어 태양에너지의 열에 의해 가열되는 방식으로 순환된다.
상기 케이스(10)는 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 내부 공간이 중공되어 집열기(100)의 구성품이 구비되고, 상기 케이스(10)는 직사각형의 박스 형태로 상부면이 외부와 관통 형성된다.
여기서, 상기 관통된 케이스(10)의 상부면은 투과체(20)에 의해 차단되는데, 이때, 상기 투과체(20)는 외부에서 빗물, 이물질 등이 케이스 내에 유입되지 않도록 케이스와 밀봉되어 연결된다.
상기 투과체(20)는 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 케이스(10)의 상부에 형성되어 케이스(10) 내부를 밀폐하는 동시에 태양열,태양광이 투과되는데, 단열 성능과 투과율을 용이하도록 내부가 중공된 이중창 구조로 형성된다.
여기서, 상기 투과체(20)는 도 1 내지 도 2에서처럼, 단열 성능이 용이하도록 2.5 ~ 3.5mm의 두께로 형성되는 전면 투과체(21)와, 상기 전면 투과체(21)와 상호 이격되어 열전도율이 용이하도록 폴리머 재질로 형성되는 후면 투과체(22)와, 상기 전면 투과체(21)와 후면 투과체(22) 사이에 중공층(23)이 형성되어 케이스(10) 내의 열이 외부로 전도되는 것을 방지하도록 공기 또는 불화성가스가 채워지는 중공층(23)으로 구성된다. 이때, 상기 전면 투과체(21)는 본 발명에서는 3.0mm 두께로 형성된다.
이렇듯, 기존의 집열기는 주로 유리 재질의 단일창을 사용하여 비교적 태양광 투과율이 높은 반면 열손실면에서는 좋지 않은 특성을 나타내고 있다. 본 발명에서는 전면 투과체(21)의 단열 성능을 높이기 위해 최 외각은 3.0mm의 유리를 사용하며 그 아래층은 중공층(불활성가스)을 형성하여 열전도를 줄이며, 그 아래는 후면 투과체(22)를 사용한다.
여기서, 통상의 기술에서 후면 투과체(22)는 주로 유리를 사용하였지만 무게가 무겁고 열전도율 면에서도 폴리머보다 좋지 않은 결과를 가져온다. 그렇기에 본 발명에서는 광 투과율이 높은 폴리머재질을 사용하여 열손실 면에서도 유리보다 뛰어난 특징이 있다.
또한, 상기 중공층(23)의 단열효율을 높이기 위해 중공층(23)은 폭 100mm 내외의 세로 또는 가로방향의 격벽(24) 구조로 설계하여 각 격벽(24)의 가스의 유동을 억제하여 열손실 특성이 아주 우수하다. 그리고 투과체(20)의 표면에서 적외선 반사코팅(Low-E)을 통해 투과체(20) 표면으로부터의 적외선 방사 손실을 줄일 수 있게 하였다. 이 기술을 적용한 투과체(20)는 흡수기에서 흡수된 고온의 열에너지의 적외선 복사를 2차적으로 차단할 수 있는 특징이 있다. 이러한 투과체(20) 기술을 적용하여 기존 투과체 대비 열손실을 2배 이상 줄였다.
그리고, 중공층(23)의 형성 방법에 있어 전면 투과체(21)는 판상의 형태를 가지며, 상기 후면 투과체(22)는 중공층(23)을 가질 수 있도록 홈통 구조를 가진 판상의 구조를 가지며, 이 두 판상의 구조체를 접합하여 중공층(23)을 형성한다. 이때, 상호 접합 방법은 UV 조사에 의해 경화특성을 갖는 접합재료를 사용한다. 이를 통해 접합부의 광투과율이 높고 기계적 강도가 높으며 접합 공정의 안정성이 높고 공정속도가 빠른 특징이 있다.
그 외에 집열기(100)의 구성품으로는 도 1 내지 도 2에서처럼, 케이스(10)의 내부에 구비되되 태양에너지를 집열하도록 투과체(20) 하측에 형성되는 집열판(30)과, 상기 집열판(30)에 내부에 일체형으로 부착되어 집열판(30)으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부에 이송되는 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 다수개의 동파이프(40)와, 상기 다수개의 동파이프(40) 끝단부에 형성되어 동파이프(40)의 열을 전달받아 외부에 전달하는 헤더부(50)는 통상의 평판형 태양열 평판형 집열기와 유사하기에 별도의 상세한 구성, 구조, 기능에 대해 기술하지 않는다.
상기 VIP 복합 단열재(60)는 도 1 내지 도 2에 도시한 바와 같이, 집열판(30), 동파이프(40), 헤더부(50)의 하단부를 받쳐주고, 상기 집열판(30)에서 집열된 고온이 외부로 전도되는 것을 단열한다.
여기서, 상기 VIP 복합 단열재(60)는, 도 2에서처럼, 상기 집열판(30)의 하단부에 구비되어 봉지기술을 적용한 봉지부(63)에 의해 케이스(10)에 연결되는 VIP 보드(61)와, 상기 VIP 보드(61)의 외부와 집열판(30), 동파이프(40), 헤더부(50)의 하단부를 받쳐주도록 형성되는 우레탄 폼(62)으로 구성된다.
그리고, 상기 봉지부(63)는 고온에서 내구성을 확보할 수 있도록 고온용 에폭시(EPOXY) 몰딩 공법에 의해 내구성이 확보되고, 외피에 무기질의 단열재로 외피층을 형성하여 봉지부(63)에 의해 VIP 보드(61)가 케이스(10) 내벽에 안착하여 조립된다.
이렇듯, 그동안 태양열 평판형 집열기(100)에 적용된 집열기 후면 단열 기술은 주로 건축용 단열재인 유리섬유, 암면, 우레탄 등을 사용하였다. 나름대로 우수한 단열특성을 나타내긴 하지만 태양열 냉방, 태양열 산업공정열 이용 시스템에 적용하기에는 집열기(100)의 단열특성의향상이 필요하다. 이에 본 발명에서는 최근 개발되어 단열재의 우수성이 인정된 VIP(Vacuum Insulation Panel)를 사용한다.
이러한 VIP 보드(61)는 주로 전자산업 및 가전산업에 적용되고 있으며 기술의 도입기에 있다고 볼 수 있고, VIP 기술을 태양열 평판형 집열기(100)에 적용하기 위해서는 고온에서의 가스 BARRIER 성능을 확보할 수 있는 봉지기술(외피의 연결부를 봉합하는 기술)이 필요한데, 본 발명에서는 봉지부(63)의 봉지 공정에 있어 기존의 필름 열융착 방식에서 탈피하여 고온에서 내구성을 확보할 수 있는 고온용 에폭시(EPOXY) 몰딩 공법을 적용하여 봉지부분의 내구성을 확보하였다.
이로써 집열기(100)의 정체온도 조건 200 ~ 250℃ 범위에서 봉지부(63)의 내구성을 확보하였으며 이를 통해 집열기의 장기 내구성을 확보할 수 있다. 본 발명에서 적용한 기술은 이러한 내구성이 확보된 VIP 재료를 집열기 케이스(10)에 맞게 복합 성형하는 기법을 적용하여 각 취약부의 열손실을 억제할 수 있게 하였다.
10 : 케이스 20 : 투과체
21 : 전면 투과체 22 : 후면 투과체
23 : 중공층 24 : 격벽
30 : 집열판 40 : 동파이프
50 : 헤더부 60 : VIP 복합 단열재
61 : VIP 보드 62 : 우레탄 폼
63 : 봉지부 100 : 태양열 평판형 집열기

Claims (4)

  1. 투과체(20)가 형성된 케이스(10) 내부에 동파이프(40)가 일체형으로 부착된 집열판(30)이 형성되고, 상기 동파이프(40) 끝단부에 형성되어 동파이프(40)의 열을 전달받아 외부에 전달하는 헤더부(50)와, 상기 집열판(30), 동파이프(40), 헤더부(50)의 하단부를 받쳐주고, 상기 집열판(30)에서 집열된 고온이 외부로 전도되는 것을 단열하는 VIP 복합 단열재(60)를 구비하는 태양열 평판형 집열기에 있어서,
    상기 투과체(20)는 단열 성능이 용이하도록 2.5 ~ 3.5mm의 두께로 형성되는 전면 투과체(21)와, 상기 전면 투과체(21)와 상호 이격되어 열전도율이 용이하도록 폴리머 재질로 형성되는 후면 투과체(22)와, 상기 전면 투과체(21)와 후면 투과체(22) 사이에 중공 형성되어 케이스(10) 내의 열이 외부로 전도되는 것을 방지하도록 불화성가스가 채워지는 중공층(23);을 포함하되,
    상기 VIP 복합 단열재(60)는 우레탄폼(62) 상부에서 케이스(10) 내벽에 안착되어 조립되는 VIP 보드(61)가 고온에서 내구성을 확보할 수 있도록, 봉지기술 적용되어 외피에 무기질의 단열재로 외피층을 형성하는 봉지부(63)가 고온용 에폭시 몰딩 공법으로 고정되는 것을 특징으로 하는 이중창 구조의 투과체와 VIP 단열재가 적용되는 태양열 평판형 집열기.
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