KR101865316B1 - 표면의 돌기형상 난류형성 열효율 증대 태양열집열기의 매니폴더 - Google Patents

Abstract

본 발명은 열전달효율을 높이는 매니폴더가 구비된 태양열집열기에 관한 것으로, 상세하게는 매니폴더 표면에 설정된 깊이 및 각도를 형성한 패턴을 형성시켜 열전달 량을 높일 수 있는 효과가 있는 것을 특징으로 하는 열전달효율을 높이는 매니폴더가 구비된 태양열집열기에 관한 것이다.

Description

표면의 돌기형상 난류형성 열효율 증대 태양열집열기의 매니폴더{A manifold for increasing a heat transfer efficiency in a solar collectors}

본 발명은 열전달효율을 높이는 매니폴더가 구비된 태양열집열기에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 매니폴더 표면에 설정된 깊이 및 각도를 형성한 패턴을 형성시켜 열전달 량을 높일 수 있는 장치에 관한 것이다.

일반적으로, 무제한 에너지원인 태양열 에너지의 이용에 있어서 무엇보다도 중요한 점은 태양열을 모으는 집열기의 고효율 화에 있다고 할 수 있으며, 이러한 고효율 화는 고효율 전열소자인 히트파이프와 함께 진공 기술을 적용하여 어느 정도 성과를 거두고 있다.

그러나 효율적으로 태양열 에너지를 집열하여도 이를 제대로 전달하지 못한다면 고효율의 집열기는 무용지물이 되는 바, 집광된 열에너지를 열매체 흐름관을 통하여 온수기에 열 손실 없이 전달하는 문제가 태양열 에너지의 이용에 있어서 전체적인 에너지 이용 효율을 결정짓는 또 다른 중요 변수가 된다.

따라서 열전달의 1차 관문인 히트파이프와 매니폴더(Manifold)의 최적 설계가 매우 중요한 변수로 작용하고 있다.

그 일예로서, 한국등록특허 제10-0712012호("진공관형 태양열집열기 편심형 매니폴더")에서와 같이 진공관형 태양열집열기 매니폴더에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다수개의 열방출홀이 내부 중심 상에서 상호 이격되어 배열되어 있는 매니폴더와; 상기 매니폴더의 일측과 타측의 측면에는 유체통로가 형성된 편심 엔드 캡이 부착되되; 상기 유체통로는 각각의 편심 엔드 캡의 수직상의 최상측에 형성되도록 이루어지도록 진공관형 태양열집열기 편심형 매니폴더에 관한 것이다.

이 때, 종래의 태양열집열기는 매니폴더와 히트파이프의 접촉 면적을 보다 넓게 하여 열 전달 량을 최대화 시킬 필요가 있으나, 종래의 매니폴더의 열매체인 유체유입과 출구는 유체유동방향으로 중심선상에 위치하여, 유동 열매체가 히트파이프의 응축부를 충분히 열 접촉하지 못하여, 진공형 태양열집열기의 응축부로부터 불균일한 열전달 현상이 발생하는 문제점이 있다.

또한 종래의 진공관형 태양열집열기 매니폴더는 배플을 별도로 구비하여 설치함으로써 복잡한 구성으로 설계되어야 하며 추가의 제작비용이 소요될 수 있는 문제점이 있다.

한국등록특허 제10-0712012호(등록일자 2007년04월20일)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서 본 발명의 목적은, 매니폴더 표면에 설정된 깊이 및 각도를 형성한 패턴을 형성시켜 열전달 량을 높일 수 있는 열전달효율을 높이는 매니폴더가 구비된 태양열집열기를 제공하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 열전달효율을 높이는 매니폴더가 구비된 태양열집열기는 양 갈래로 분리되되, 대향면이 맞닿도록 구비된 제 1 매니폴더(100)와 제 2 매니폴더(200) 및 상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)의 대향면에 맞닿아 구비되며 소정 간격 이격되어 배치된 다수 개의 튜브(300)를 포함하며, 상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)는 상기 대향면에 상기 튜브(300)를 감싸도록 볼록하게 반원형상으로 돌출된 돌출부(110, 210)가 형성되되, 상기 제 1 매니폴더(100)와 제 2 매니폴더(200)는 내부가 중공된 납작한 직사각형의 플레이트 관 형상으로 형성되고, 상기 돌출부(110, 210)는 외면으로부터 곡면을 따라 상기 돌출부(110, 210)의 내측중심 방향으로 소정 깊이 및 각도를 갖도록 함몰되어 형성된 돌기를 갖는 다수 개의 패턴(111, 211)이 형성되어, 상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)의 내부를 흐르는 유체가 상기 패턴(111, 211)의 돌기에 부딪혀 난류를 형성함으로써, 상기 돌출부(110, 210) 내부의 열유동을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 제 1 매니폴더 및 제 2 매니폴더는 유체를 통과시키기 위해 일측에 형성된 입구부 및 타측에 형성된 출구부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 상기 패턴은 상기 출구부 방향으로 벌어진 부등호 형상이 다수 개 배열되어 형성된 것을 특징으로 한다.

또한 상기 패턴은 상기 돌출부의 외면으로부터의 깊이가 1.2~1.3mm인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 패턴은 상기 출구부 방향으로 벌어진 부등호 형상의 각도가 145~155도인 것을 특징으로 한다.

또한 상기 매니폴더는 외면에 단열부재가 구비되는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 구성에 의한 본 발명에 따른 열전달효율을 높이는 매니폴더가 구비된 태양열집열기는 매니폴더 표면에 설정된 깊이 및 각도를 형성한 패턴을 형성시켜 열전달 량을 높일 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열집열기의 사시도.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열집열기의 다른 사시도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 사시도.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 단면도.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 평면도.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 실험 경계조건 셋업 구성도.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 격자형성을 나타낸 사시도.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 격자형성을 나타낸 측면도.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 패턴 깊이 변화에 따른 열전달 량과 차압의 변화 그래프.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 패턴 깊이 변화에 따른 열전달 량과 차압 변화율 무가공 매니폴더와의 비교 그래프.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 패턴 각도 변화에 따른 열전달 량과 차압의 변화 그래프.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 패턴 각도 변화에 따른 열전달 량과 차압 변화율 무가공 매니폴더와의 비교 그래프.

이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 열전달효율을 높이는 매니폴더가 구비된 태양열집열기를 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다. 또한 명세서 전반에 걸쳐서 동일한 참조번호들은 동일한 구성요소들을 나타낸다.

이 때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열집열기의 사시도이다.

도 1을 참조하면, 상기 태양열집열기는 양 갈래로 분리되되, 대향면이 맞닿도록 구비된 제 1 매니폴더(100);와 제 2 매니폴더(200); 및 상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)의 대향면에 맞닿아 구비되며 소정 간격 이격되어 배치된 다수 개의 튜브(300);를 포함하는 구성일 수 있다.

또한 상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)는 유체를 통과시키기 위해 일측에 형성된 입구부(100a,200a) 및 타측에 형성된 출구부(100b,200b)를 포함하는 구성일 수 있다.

여기서, 상기 태양열집열기는 도 1과 같이 상하방향으로 고정된 것이 아니라, 다양한 방향 및 각도로 회전되어 사용될 수 있다. 따라서 상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)는 유체가 상하로 이동되는 것에 국한되지 않고, 수평 또는 다양한 각도에서 유동될 수 있다.

또한 상기 매니폴더는 외면에 단열부재(미도시)가 일체 결합되어 구비되거나 단열재로 형성된 매니폴더일 수 있다.

상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)는 한 쌍으로 구비되며, 상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)는 온수탱크로서 열매체를 제공받거나 제공하기 위한 일련의 구성으로써 상기 태양열집열기 내의 양측을 따라 하나씩 설치되는 메인 관로일 수 있다.

또한 상기 태양열집열기는 태양광을 제공받아 열에너지로 변환하는 장치를 통틀어 의미할 수 있다.

또한 상기 튜브(300)는 상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)를 따라 유동되는 열매체를 상기 태양열집열기에 의해 생성된 열에너지와 열 교환이 되도록 하는 일련의 구성일 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 태양열집열기의 다른 사시도이다.

도 1을 참조하면, 상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)는 상기 튜브(300)를 사이에 두고 양 단에 배치될 수도 있지만, 도 2와 같이 일단부에만 배치되어도 무방할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 사시도이다.

도 3은 참조하면, 상기 매니폴더는 상기 튜브(300)를 감싸도록 볼록하게 반원형상으로 돌출된 돌출부(110,210)가 형성되며, 상기 돌출부(110,210)의 외면에는 소정 깊이(d) 및 각도(a)를 갖는 패턴(111,211)이 다수 개 형성될 수 있다.

상기 패턴(111,211)은 상기 출구부(100b,200b) 방향으로 벌어진 부등호 형상이 다수 개 배열되어 형성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 단면도이다.

도 4를 참조하면, 상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)는 내부가 빈 플레이트 관 형상으로 형성될 수 있다.

상기 패턴(111,211)은 상기 돌출부(110,210)의 외면으로부터의 깊이(d)가 약 1.2~1.3mm정도로 형성될 수 있다.

또한 상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)의 내부 높이는 약 5mm일 수 있으며, 두께는 1mm일 수 있다.

또한 상기 패턴(111,211)의 형상은 하이드로포밍 가공 후 금형으로부터 가공물이 이탈되기 용이하게 형상 설계한 것이며, 도 3과 같이 형성된 위치에 따라 상부를 향해 설계됨으로써, 동일한 형상은 아니며 위치에 따라 다르게 형성될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 평면도이다.

도 5를 참조하면, 상기 패턴(111,211)은 상기 출구부(100b,200b) 방향으로 벌어진 부등호 형상의 각도(a)가 약 145~155도로 형성될 수 있다.

상기는, 열유동해석을 고려한 하이드로 포밍 매니폴더 형상을 나타낸 것일 수 있다.

하기는, 상기의 매니폴더가 결정되기 위한 근거로써, 상기 매니폴더의 패턴(111,211) 깊이(d) 및 각도(a)에 따른 실험에 대한 것일 수 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 실험 경계조건 셋업 구성도이다.

도 6을 참조하면, 상기 매니폴더는 유체가 입구부(100a,200a)(inlet) 및 출구부(100b,200b)(outlet)를 통과하는 동안 열 교환이 이루어질 수 있다.

이 때, 도 5를 참조하면, 상기 패턴(111,211)은 깊이(d)를 0.75~2mm와 각도(a)를 140~175도의 범위 안에서 설정 값을 다르게 설정하여 실험해 볼 수 있다.

상기 실험은 질량 보존 방정식, 운동량 방정식, 에너지 방정식, 레이놀즈 수 (

)및 열량 계산식(

)이 사용될 수 있다.

(

,

)

또한 상기 실험은 종래 매니폴더와 유사한 유량(0.118kg/s)을 기본 유량으로 적용할 수 있다.

또한 상기 실험은 상기 매니폴더의 외면이 비교적 최대로 단열이 되는 것으로 가정한 후 실험한 것일 수 있다.

또한 상기 실험은 상기 튜브(300)를 지나는 유체의 열량을 200(W)로 설정하여 진행될 수 있다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 격자형성을 나타낸 사시도이고, 도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 격자형성을 나타낸 측면도이다.

도 7 및 8을 참조하면, 상기 매니폴더는 상기 패턴(111,211)이 형성된 부분에서 가장 많은 격자수를 형성하는 것을 볼 수 있다.

이 때, 상기 격자수는 앤시스(ANSYS)프로그램으로 해석한 결과이며, 상기 패턴(111,211)이 형성됨에 따라 상기 매니폴더의 내측으로 열유동이 많아진 것을 확인할 수 있다.

하기는, 상기 실험에 따른 상기 매니폴더와 상기 패턴(111,211)이 없는 매니폴더를 비교한 결과를 나타낸 것일 수 있다.

도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 패턴(111,211) 깊이(d) 변화에 따른 열전달 량과 차압의 변화 그래프이고, 도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 패턴(111,211) 깊이(d) 변화에 따른 열전달 량과 차압 변화율 무가공 매니폴더와의 비교 그래프이다.

여기서, 무가공 매니폴더는 기존 하이드로포밍 매니폴더를 의미하며 열량은 163.9(W)이고 차압은 23.3(pa)이다.

도 9를 참조하면, 상기 패턴(111,211)의 각도(a)를 160도 기준으로 봤을 때, 상기 패턴(111,211)의 깊이(d) 변화에 따른 열전달 량과 차압의 변화는, 상기 패턴(111,211)은 깊이(d)가 깊어질수록 열량과 차압이 동시에 증가한다는 것을 알 수 있다.

도 10을 참조하면, 상기 패턴(111,211)의 각도(a)를 160도 기준으로 봤을 때, 상기 패턴(111,211)의 깊이(d) 변화에 따른 무가공 매니폴더와의 열전달 량과 차압을 비교한 결과는, 상기 패턴(111,211)의 깊이(d)가 깊어짐에 따라 열량과 차압은 일정한 폭으로 증가하는 것을 볼 수 있으며, 상기 패턴(111,211)의 깊이(d)에 따라 열량 변화율은 차압 변화량보다 크지 않은 것을 볼 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 패턴(111,211) 각도(a) 변화에 따른 열전달 량과 차압의 변화 그래프이고, 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 매니폴더의 패턴(111,211) 각도(a) 변화에 따른 열전달 량과 차압 변화율 무가공 매니폴더와의 비교 그래프이다.

도 11을 참조하면, 상기 패턴(111,211)의 각도(a) 변화에 따른 열전달 량과 차압의 변화 결과는 상기 각도(a)가 증가할수록 차압은 증가하는 것을 볼 수 있다.

또한 상기 각도(a)는 140도에서 150도로 갈수록 열량은 증가하지만 150도에서 160도까지는 열량의 변화가 정체하는 것을 볼 수 있으며, 160도 이후의 각도(a)로 갈수록 열량이 감소함을 볼 수 있다.

여기서, 상기 및 하기에서 기재되는 열량이라 함은 상기 매니폴더의 내부 열량을 의미할 수 있다.

도 12를 참조하면, 상기 패턴(111,211)의 각도(a) 변화에 따른 무가공 매니폴더와의 열전달 량과 차압을 비교한 결과로는, 상기 각도(a)가 증가할수록 기존 매니폴더 보다 일정한 폭으로 증가함을 볼 수 있다.

또한 상기 열량은 일정각도(a)까지 증가하다가 다시 감소함을 볼 수 있다.

하기의 표 1은 상기 패턴(111,211)의 깊이(d)에 따른 열량 및 차압 값이고, 표 2는 상기 패턴(111,211)의 각도(a)에 따른 열량 및 차압 값이다.

(표 1)

(표 2)

이 때, 상기 최적의 깊이(d) 값은 열량이 높고 차압이 비교적 낮은 값이며, 상기 각도(a) 값은 열량이 높고 차압이 비교적 낮은 값이 최적의 조건이 될 수 있다.

따라서 상기 실험을 토대로 상기 매니폴더의 패턴(111,211) 최적 설계 설정치는 깊이(d) 1.25mm, 각도(a) 150도로 설정될 수 있다.

이에 따라, 상기 매니폴더는 기존 무가공 매니폴더 대비 열전달이 14% 증가할 수 있으며, 차압은 기존 원통형의 매니폴더와 유사할 수 있다.

본 발명에 대해 말하자면, 상변환식 태양열 집열기의 핵심 부품인 매니폴더의 용접공정에 의한 제품의 높은 불량률과 수작업에 의한 제조 원가 경제성 하락에 따른 기술개발 필요성에 의해 개발한 것일 수 있다.

따라서 본 발명의 매니폴더는 용접부위가 없어 용접공정에 의한 불량 발생률 제로화하고, 열 교환 면적을 최대화한 매니폴더이며, 뿌리기술인 금형성형기술을 도입하여 자동화 생산이 가능한 매니폴더를 개발할 수 있다.

이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 소자 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 일 실시예에 한정되는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술되는 특허 청구 범위뿐 아니라 이 특허 청구 범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

100 : 제 1 매니폴더 200 : 제 2 매니폴더
300 : 튜브 110,210 : 돌출부
111,211 : 패턴 100a,200a : 입구부
100b,200b: 출구부 d : 패턴의 깊이
a : 패턴의 각도

Claims (6)

1. 양 갈래로 분리되되, 대향면이 맞닿도록 구비된 제 1 매니폴더(100);와 제 2 매니폴더(200); 및
   상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)의 대향면에 맞닿아 구비되며 소정 간격 이격되어 배치된 다수 개의 튜브(300);를 포함하며,
   상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)는 상기 대향면에 상기 튜브(300)를 감싸도록 볼록하게 반원형상으로 돌출된 돌출부(110, 210)가 형성되되,
   상기 제 1 매니폴더(100)와 제 2 매니폴더(200)는 내부가 중공된 납작한 직사각형의 플레이트 관 형상으로 형성되고,
   상기 돌출부(110, 210)는 외면으로부터 곡면을 따라 상기 돌출부(110, 210)의 내측중심 방향으로 소정 깊이 및 각도를 갖도록 함몰되어 형성된 돌기를 갖는 다수 개의 패턴(111, 211)이 형성되어,
   상기 제 1 매니폴더(100) 및 제 2 매니폴더(200)의 내부를 흐르는 유체가 상기 패턴(111, 211)의 돌기에 부딪혀 난류를 형성함으로써, 상기 돌출부(110, 210) 내부의 열유동을 증가시키는 것을 특징으로 하는 표면의 돌기형상 난류형성 열효율 증대 태양열 집열기의 매니폴더.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 매니폴더 및 제 2 매니폴더는
   유체를 통과시키기 위해 일측에 형성된 입구부 및 타측에 형성된 출구부를 포함하는 것을 특징으로 하는 표면의 돌기형상 난류형성 열효율 증대 태양열집열기의 매니폴더.
   
3. 제 2항에 있어서, 상기 패턴은
   상기 출구부 방향으로 벌어진 부등호 형상이 다수 개 배열되어 형성된 것을 특징으로 하는 표면의 돌기형상 난류형성 열효율 증대 태양열집열기의 매니폴더.
   
4. 제 1항에 있어서, 상기 패턴은
   상기 돌출부의 외면으로부터의 깊이가 1.2~1.3mm인 것을 특징으로 하는 표면의 돌기형상 난류형성 열효율 증대 태양열집열기의 매니폴더.
   
5. 제 3항에 있어서, 상기 패턴은
   상기 출구부 방향으로 벌어진 부등호 형상의 각도가 145~155도인 것을 특징으로 하는 표면의 돌기형상 난류형성 열효율 증대 태양열집열기의 매니폴더.
   
6. 제 1항에 있어서, 상기 매니폴더는
   외면에 단열부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 표면의 돌기형상 난류형성 열효율 증대 태양열집열기의 매니폴더.

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