KR102400434B1 - 집열기 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

일 실시 예에 따른 집열기는, 태양광 패널의 일측에 배치되며, 한 쌍의 레이어를 부분 접착 방식으로 결합시킴으로써 형성되는 면상체; 상기 태양광 패널의 정션 박스가 상기 면상체를 관통하여 돌출될 수 있도록 상기 면상체 상에 형성된 공동; 및 상기 한 쌍의 레이어 사이 공간에 형성되고, 상기 면상체의 일측에 형성된 유입구 및 상기 면상체의 타측에 형성된 배출구 사이에서, 상기 태양광 패널과 열교환되는 유체를 가이드 하기 위한 유로를 포함하는 유체 가이드부를 포함할 수 있다.

Description

집열기 및 그 제조 방법{THERMAL COLLECTOR AND METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF}
아래의 설명은 집열기 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
산업사회의 고도화와 인구의 증가로 많은 에너지가 요구되는데, 현재 대체 에너지원으로서 태양에너지를 이용하기 위하여 태양열 집열기와 태양광 모듈이 활용되고 있다. 태양광 발전 모듈 및 시스템은 별도의 유지관리 없이도 광에너지를 전기에너지로 변환하여 전기에너지를 지속적으로 공급할 수 있는 장점이 있다. 다만, 종래의 태양 전지는 일부만 그늘에 가려지거나, 패널의 온도가 상승할 경우, 전체적으로 태양 전지 모듈의 효율 저하가 초래되었다. 이러한 문제점을 극복하고자 전력 생산 효율성을 높인 하프 컷 셀(half-cut cell)이 도입되었다.
하프 컷 셀은 대체로 정션 박스(junction box)가 태양광 패널의 중간에 위치한다. 따라서 기존의 냉각 수단과 같이, 파이프를 병렬로 연결시킨 구조로는, 하프 컷 셀의 정션 박스를 수용하는 것이 불가능한 문제점이 있다. 따라서 이에 대응할 수 있는 새로운 냉각 수단의 개발이 요구된다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출과정에서 보유하거나 습득한 것으로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에 공개된 공지기술이라고 할 수는 없다.
일 실시 예에 따른 집열기는, 태양광 패널의 일측에 배치되며, 한 쌍의 레이어를 부분 접착 방식으로 결합시킴으로써 형성되는 면상체; 상기 태양광 패널의 정션 박스가 상기 면상체를 관통하여 돌출될 수 있도록 상기 면상체 상에 형성된 공동; 및 상기 한 쌍의 레이어 사이 공간에 형성되고, 상기 면상체의 일측에 형성된 유입구 및 상기 면상체의 타측에 형성된 배출구 사이에서, 상기 태양광 패널과 열교환되는 유체를 가이드 하기 위한 유로를 포함하는 유체 가이드부를 포함할 수 있다.
상기 집열기는, 외부로부터 유체를 공급받거나, 유체를 외부로 토출시키는 유출입구를 더 포함하고, 상기 유체 가이드부는, 유체가 상기 유출입구 및 상기 유로 사이에 형성되며, 상기 유출입구로부터 유체의 흐름 방향에 수직한 방향으로 멀어질수록, 상기 유출입구로부터 유체의 흐름 방향에 평행한 방향으로 멀어지도록 경사지게 형성되는 슬로프를 더 포함할 수 있다.
상기 유체 가이드부는, 상기 유로를 따라서 흐르는 유체를 합류 또는 분류시키면서, 균등하게 분배된 상태로 유동시킬 수 있는 균등 분배 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 균등 분배 영역은, 유체의 흐름을 기준으로, 상기 공동의 상류측 및 하류측 및 적어도 하나 이상에 배치되고, 유체의 흐름 방향과 평행하지 않은 방향으로 길게 연통되는 형상을 갖는 집합로를 포함할 수 있다.
상기 균등 분배 영역은, 상기 유로가 복수 개의 갈래로 분지되고, 분지된 인접한 상기 갈래가 부분적으로 연결되어 연통하도록 형성된 격자형 분지로를 포함할 수 있다.
상기 균등 분배 영역은, 유체의 흐름 방향과 평행한 방향으로 상기 면상체를 접착시켜 형성된 선형 접착부에 의하여 구획되는 직선형 분지로를 포함하고, 상기 집합로에 모인 유체가 상기 직선형 분지로에 의하여 재분배되어 흐를 수 있다.
상기 집합로는, 상기 공동의 상류측 또는 하류측에 인접하여 형성되고, 상기 공동의 중심으로부터 유체의 흐름에 수직한 방향으로 멀어질수록, 상기 공동의 중심으로부터 유체의 흐름과 평행한 방향으로 멀어지는 형상을 가질 수 있다.
상기 균등 분배 영역은, 상기 유로의 길이 방향을 따라서 길게 형성되며, 상기 공동의 측면을 따라 배치되는 부분으로써, 상기 집합로에 연통되는 중간 채널을 더 포함하고, 아래의 [수학식]의 관계를 가질 수 있다.
[수학식]
Figure 112020058803268-pat00001
a: 상기 집합로에 연통되는 각각의 유로의 종단면적
b: 상기 중간 채널의 종단면적
n: 상기 집합로에 연통되는 복수 개의 유로의 개수
상기 유체 가이드부는, 상기 슬로프 및 상기 유로 사이에 배치되는 제 1 균등 분배 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 제 1 균등 분배 영역은, 상기 슬로프를 따라서 흐르는 유체를 합류 또는 분류시키면서, 균등하게 분배된 상태로 상기 유로로 유동시킬 수 있다.
상기 유체 가이드부는, 상기 유로 및 상기 공동의 사이에 배치되는 제 2 균등 분배 영역을 더 포함할 수 있다.
상기 유체 가이드부는, 유체의 흐름을 기준으로, 상기 유로 및 상기 제 2 균등 분배 영역 사이에 배치되고, 유체의 흐름 방향과 평행하지 않은 방향으로 길게 연통되는 형상을 갖는 집합로를 더 포함할 수 있다.
상기 면상체는, 상기 집열기의 길이 방향을 따라서 길게 형성되며, 상기 유로를 구획하기 위한 복수 개의 유로 구획 접착부; 및 상기 집열기의 길이 방향을 기준으로, 상기 복수 개의 유로 구획 접착부 중 적어도 2개 이상의 유로 구획 접착부에 오버랩되도록, 각각의 유로 구획 접착부의 폭보다 넓은 폭을 갖는 타공용 접착부를 포함할 수 있다.
일 실시 예에 따른 태양광 패널의 냉각을 위한 집열기를 제조하는 방법은, 한 쌍의 레이어를 적층하는 단계; 설정된 유체 가이드부 패턴을 따라서 상기 한 쌍의 레이어를 접착함으로써 유로가 형성된 면상체를 형성하는 단계; 및 상기 면상체 상에 공동을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 한 쌍의 레이어는 합성수지 재질로 이루어지고, 상기 면상체를 형성하는 단계는, 상기 한 쌍의 레이어에서, 상기 설정된 유체 가이드부 패턴을 제외한 부분을 고주파 융착 방식으로 융착시킴으로써 상기 유체 가이드부를 형성할 수 있다.
일 실시 예에 따른 태양광 패널의 냉각을 위한 집열기를 제조하는 방법은, 한 쌍의 레이어에 설정된 유체 가이드부 패턴을 인쇄하는 단계; 상기 한 쌍의 레이어를 적층하는 단계; 상기 한 쌍의 레이어를 부분 접착함으로써 면상체를 형성하는 단계; 상기 한 쌍의 레이어 사이의 공간에 공기를 주입하여 상기 면상체 상에 유체 가이드부를 형성하는 단계; 및 상기 면상체 상에 공동을 형성하는 단계를 포함하고, 상기 한 쌍의 레이어는 알루미늄 재질로 이루어지고, 상기 면상체를 형성하는 단계는, 상기 한 쌍의 레이어를 정렬시킨 상태에서 가압 및 가열시킴으로써, 한 쌍의 레이어의 일부를 용융 및 접합시키는 것을 특징으로 하는 집열기를 제조할 수 있다.
상기 면상체 상에 공동을 형성하는 단계는, 상기 면상체 중 상기 유체 가이드부가 형성되지 않은 부분을 타공하여 공동을 형성할 수 있다.
도 1은 일 실시 예에 따른 집열기의 정면도이다.
도 2는 도 1의 부분 확대도이다.
도 3은 일 실시 예에 따른 집열기의 공동 부분을 확대한 도면이다.
도 4는 도 3의 I-I 의 절개선을 따라서 절개한 단면도이다.
도 5는 도 3의 II-II 의 절개선을 따라서 절개한 단면도이다.
도 6은 일 실시 예에 따른 집열기의 정면도이다.
도 7은 일 실시 예에 따른 집열기의 정면도이다.
도 8은 일 실시 예에 따른 집열기의 정면도이다.
도 9은 일 실시 예에 따른 집열기의 정면도이다.
도 10은 일 실시 예에 따른 집열기의 정면도이다.
도 11은 도 10의 a부분을 확대한 도면이다.
도 12은 일 실시 예에 따른 집열기 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 13은 일 실시 예에 따른 집열기 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
이하, 실시 예들을 예시적인 도면을 통해 상세하게 설명한다. 각 도면의 구성요소들에 참조부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 실시 예를 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 실시 예에 대한 이해를 방해한다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 실시 예의 구성 요소를 설명하는 데 있어서, 제 1, 제 2, A, B, (a), (b) 등의 용어를 사용할 수 있다. 이러한 용어는 그 구성 요소를 다른 구성 요소와 구별하기 위한 것일 뿐, 그 용어에 의해 해당 구성 요소의 본질이나 차례 또는 순서 등이 한정되지 않는다. 어떤 구성 요소가 다른 구성요소에 "연결", "결합" 또는 "접속"된다고 기재된 경우, 그 구성 요소는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되거나 접속될 수 있지만, 각 구성 요소 사이에 또 다른 구성 요소가 "연결", "결합" 또는 "접속"될 수도 있다고 이해되어야 할 것이다.
어느 하나의 실시 예에 포함된 구성요소와, 공통적인 기능을 포함하는 구성요소는, 다른 실시 예에서 동일한 명칭을 사용하여 설명하기로 한다. 반대되는 기재가 없는 이상, 어느 하나의 실시 예에 기재한 설명은 다른 실시 예에도 적용될 수 있으며, 중복되는 범위에서 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 일 실시 예에 따른 집열기의 정면도이고, 도 2는 도 1의 부분 확대도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 집열기(1)는 태양광 패널에서 발생하는 열을 흡수하여 집열기(1)의 온도를 상승시킴으로써, 태양광 패널과 열교환을 할 수 있다. 예를 들어, 집열기(1)는 면상체(11), 공동(12), 유입구(13), 배출구(14) 및 유체 가이드부(15)를 포함할 수 있다.
면상체(11)는 태양광 패널의 일측에 배치되며, 한 쌍의 레이어를 부분 접착 방식으로 결합시킴으로써 형성될 수 있다. 예를 들어, 한 쌍의 레이어는 서로 접착 가능한 합성수지 재질 또는 알루미늄 재질로 형성될 수 있다. 부분 접착 방식을 통하여 집열기(1)를 제조하는 방법들에 대하여 도 12 및 도 13에 대한 설명에서 후술하기로 한다. 예를 들어, 면상체(11)는 집열기(1)의 길이 방향을 따라서 길게 형성될 수 있고, 한 쌍의 레이어가 국부적으로 접착된 부분을 포함할 수 있다. 이러한 구조에 따르면 집열기(1) 내에서 유동하는 유체는, 한 쌍의 레이어가 접착된 부분을 통과할 수 없고, 접착되지 않은 루트를 따라 이동하게 된다. 예를 들어, 면상체(11)는 유로 구획 접착부(111) 및 타공용 접착부(112)를 포함할 수 있다.
유로 구획 접착부(111)는 복수 개의 유체 가이드부(15)를 구획하기 위해서, 복수 개 구비될 수 있다. 유로 구획 접착부(111)는 한 쌍의 레이어 중에서 유체 가이드부(15)로 이용될 면적의 양 측을 접착시켜 형성할 수 있다. 예를 들어, 유로 구획 접착부(11)는 유체의 설계 유량 및 집열기(1) 내부에서의 잔류 시간 등을 고려하여 설계될 수 있다.
타공용 접착부(112)는, 집열기(1)의 길이 방향(즉, 도 2의 상하 방향)을 기준으로, 복수 개의 유로 구획 접착부(111) 중 적어도 2개 이상의 유로 구획 접착부(111)에 오버랩되도록, 각각의 유로 구획 접착부(111)의 폭보다 넓은 폭을 가질 수 있다. 예를 들어, 도 1에 도시되는 것처럼, 집열기(1)의 중앙에 배치되는 타공용 접착부(112)는, 4개의 유로 구획 접착부(111)에 오버랩되는 형상을 갖고, 집열기(1)의 좌측 및 우측에 배치되는 타공용 접착부(112)는, 2개의 유로 구획 접착부(111)에 오버랩되는 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 집열기(1)의 중앙에 배치되는 타공용 접착부(112)처럼, 타공용 접착부(112)는 유로 구획 접착부(111)에 연결되는 구조를 가질 수 도 있다. 타공용 접착부(112)는 집열기(1)가 설치될 태양광 패널의 정션 박스의 위치에 따라 결정될 수 있다. 도 1 등은 정션 박스가 패널의 중간 및 양측에 위치는 하프 컷 셀 방식의 태양광 패널에 장착 가능한 집열기(1)를 예시적으로 도시한 것이다.
공동(12)은 태양광 패널의 정션 박스가 면상체(11)를 관통하여 돌출될 수 있도록 면상체(11) 상에 형성될 수 있다. 예를 들어 공동(12)은 타공용 접착부(112)에 형성될 수 있다.
유체 가이드부(15)는 한 쌍의 레이어 사이 공간에 형성되고, 면상체(11)의 일측에 형성된 유입구(13) 및 면상체(11)의 타측에 형성된 배출구(14) 사이에서, 태양광 패널과 열교환되는 유체를 가이드 할 수 있다. 한편, 유입구(13) 및 배출구(14)를 통칭하여, "유출입구"라고 할 수 있다. 예를 들어 유체 가이드부(15)는 복수 개로 배치될 수 있다. 또한 복수 개의 유체 가이드부(15) 중 일부가 서로 맞닿아서 연통되더라도, 연통되기 전과 후의 유량 단면적의 총합을 일정하게 할 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 유체는 복수 개의 유체 가이드부(15)를 통하여 일정한 속력으로 집열기(1)를 관류할 수 있고, 열교환이 일정한 속도로 일어날 수 있다. 예를 들어, 유체 가이드부(15)는 유로(151), 슬로프(152), 및 균등 분배 영역(153)을 포함할 수 있다.
유로(151)는, 면상체(11)의 일측에 형성된 유입구(13) 및 면상체(11)의 타측에 형성된 배출구(14) 사이에서, 태양광 패널과 열교환되는 유체를 선형으로 가이드 할 수 있다.
슬로프(152)는 유체 가이드부(15) 중 유입구(13) 또는 배출구(14)에 맞닿는 유로(151) 단부로부터 멀어지는 방향을 향하여 경사지게 형성될 수 있다. 슬로프(152)에 의하면, 유입구(13)로부터 멀리 떨어진 유체 가이드부(15)까지도 유체가 원활하게 유입될 수 있다. 또한, 유체 가이드부(15)로부터 배출구(14)를 향하여 공기 및/또는 물이 원활하게 배출되게 할 수 있다. 예를 들어, 슬로프(152)의 각도는 2.5°이상일 수 있다.
균등 분배 영역(153)은, 인접한 유로(151)를 따라서 흐르는 유체를 합류 또는 분류시키면서, 균등하게 분배된 상태로 유동시킬 수 있다. 균등 분배 영역(153)은, 유입측 및 배출측에 배치될 수 있다. 예를 들어, (i) 유입구(13) 및 유로(151) 사이와, (ii) 유로(151) 및 배출구(14) 사이 중 적어도 하나 이상의 부분에 균등 분배 영역(153)이 배치될 수 있다. 예를 들어, 유입구(13) 및 유로(151) 사이나, 배출구(14) 및 유로(151) 사이에 슬로프(152)가 배치될 경우, 균등 분배 영역(153)은, 슬로프(152) 및 유로(151) 사이에 배치될 수 있다. 예를 들어, 복수 개의 유로(151) 중에서 공동(12)의 주위로 우회하는 유로(151)가 존재할 경우, 각 유로(151)를 통과하는 유체 간의 손실 수두 차이가 발생할 수 있다. 따라서 유체 가이드부(15)의 형상이 유체가 흐르는 경로에 따라서 달라질 경우, 균등 분배 영역(153)을 두어 균일한 유량을 흐르게 하여 집열기(1)을 균일하게 냉각시킬 수 있다. 예를 들어, 슬로프(152)를 통과한 유체가 유로(151)쪽으로 빠져나오는 양은 각각 다를 수 있다. 이 때, 슬로프(152)와 균등 분배 영역(153)을 나란히 배치할 수 있다. 이와 같은 구조에 따르면, 슬로프(152)의 길이 방향을 따라 흐르는 유체가 각각 다른 유량으로 슬로프(152)를 빠져나가더라도, 균등 분배 영역(153)을 통과하면서, 균등 분배 영역(153)에 이어지는 복수 개의 유로(151)에 균등하게 분배될 수 있다. 예를 들어 균등 분배 영역(153)은 집합로(1531) 및 중간 채널(1534)를 포함할 수 있다.
도 3은 일 실시 예에 따른 집열기의 공동 부분을 확대한 도면이고, 도 4는 도 3의 I-I 의 절개선을 따라서 절개한 단면도이고, 도 5는 도 3의 II-II 의 절개선을 따라서 절개한 단면도이다.
도 3, 도 4 및 도 5를 참조하면, 유로(151)가 일 방향으로 뻗어가다가 공동(12)을 만날 경우, 유로(151)로부터 연장되고 타공용 접착부(112)의 둘레를 따라서 공동(12)의 주변으로 우회하여 배열되는 균등 분배 영역(153)이 배치될 수 있다. 이 때, 유체의 흐름을 기준으로, 2개 이상의 유로(151)를 횡방향으로 연통하는 집합로(1531)와, 공동(15)의 상하류에 각각 배치된 집합로(1531)를 공동(15)의 측면부에서 연결하는 중간 채널(1534)이 배치될 수 있다.
도 4는 타공용 접착부(112)를 기준으로 유입구(13) 측으로 인접하고, 공동(12)의 중심을 기준으로 일측에 위치한 복수 개의 유로(151)의 유동 단면적(A1)을 나타낸다. 도 5는 타공용 접착부(112)의 너비 방향으로 인접한 1개의 중간 채널(1534)의 유동 단면적(A2)을 나타낸다. 예를 들어, 연통되기 전 복수 개의 유로(151)의 유동 단면적(A1)의 합이 연통된 상태에서의 중간 채널(1534)의 유동 단면적(A2)과 동일할 수 있다. 이러한 구조에 따르면, 복수 개의 유체 가이드부(15)가 연통되기 전과 연통된 상태에서의 총 유량 단면적이 일정하므로, 유체의 속력을 변하지 않게 할 수 있다.
도 6은 일 실시 예에 따른 집열기의 정면도이다.
도 6을 참조하면, 집열기(4)는, 면상체(41), 공동(42), 유입구, 배출구 및 유체 가이드부(45)를 포함할 수 있다. 유체 가이드부(45)는, 유로(451), 슬로프 및 균등 분배 영역(453)을 포함할 수 있다.
균등 분배 영역(453)은, 유입측 및 배출측 뿐만 아니라, 공동(42)의 주변에 배치될 수도 있다. 균등 분배 영역(453)에 의하면, 유체가 공동(42) 주변을 지나는 과정에서, 균일성이 저하되더라도, 공동(42)을 통과한 유체가 전 유로(451)를 균등하게 흐르도록 할 수 있다. 균등 분배 영역(453)은, 집합로(4531) 및 격자형 분지로(4532)를 포함할 수 있다.
집합로(4531)는, 유체의 흐름을 기준으로 공동(42)의 상류측 및/또는 하류측에 배치될 수 있다. 집합로(4531)는 2개 이상의 유로(451)를 유로(451)의 길이 방향과 평행하지 않은 방향으로 연통시킬 수 있다. 예를 들어 집합로(4531)는 유로(451)의 길이 방향과 수직하게 유로(451)와 만날 수 있고, 각 유로(451)로부터 나온 유체가 전체적으로 집합할 수 있다. 집열기(4) 내에서 유체가 유동하는 형상이 달라지기 전에, 유체가 집합로(4531)를 통과하면, 유체가 한곳에 모였다가 분배될 수 있어서 균등하게 분배될 수 있다. 또한, 공동(42)을 통과하는 과정에서 균일성이 저하된 유체의 흐름을 다시 균등하게 만들어 줄 수 있다.
격자형 분지로(4532)는 공동(42)의 좌우측과, 유체 흐름 방향을 기준으로 공동(42)의 후류측에 형성될 수 있다. 격자형 분지로(4532)는, 유로(451)가 복수 개의 갈래로 분지되고, 분지된 인접한 갈래가 부분적으로 연결되어 연통하도록 형성될 수 있다. 예를 들어, 격자형 분지로(4532)에서, 복수 개의 갈래 사이의 접착된 면상체(41)의 일 부분을 단위 접착 부분이라 할 때, 하나의 단위 접착 부분이 4 개 이상의 단위 접착 부분과 인접할 수 있다. 예를 들어 도 6과 같이 단위 접착 부분이, 정육각형인 격자형으로 형성될 경우, 하나의 단위 접착 부분은 6개의 단위 접착 부분과 인접하도록 배치될 수 있다.
예를 들면 도 6과 같이, 유체의 흐름 방향을 기준으로, 공동(42)의 상류측에 제 1 집합로(4531)가 배치되고, 공동(42)의 좌우 측에 제 1 격자형 분지로(4532)가 배치되고, 공동(42)의 후류측에 제 2 집합로(4531)가 배치되고, 제 2 집합로(4531)의 후류측에 제 2 격자형 분지로(4532)가 배치될 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 유입측의 유로(451)를 통과한 유체는, 공동(42)의 주변으로 진입하기 전 단계에서 제 1 집합로(4531)에서 집합하여, 공동(42)의 좌우에 형성된 제 1 격자형 분지로(4532)에 균등하게 유입될 수 있다. 또한, 다시 제 2 집합로(4531)에서 집합하여, 제 2 격자형 분지로(4532)에 균등하게 유입되어, 각 부분에서 균등하게 유체가 흐를 수 있다.
도 7은 일 실시 예에 따른 집열기의 정면도이다.
도 7을 참조하면, 집열기(5)는, 면상체, 공동(52), 유입구, 배출구 및 유체 가이드부(55)를 포함할 수 있다. 유체 가이드부(55)는, 유로(551), 슬로프 및 균등 분배 영역(553)을 포함할 수 있다.
균등 분배 영역(553)은, 예를 들어, 공동(52)을 중심으로 상류측 및 하류측이 상호 대칭된 형상을 가질 수 있다.
균등 분배 영역(553)은, 유입측 및 배출측 뿐만 아니라, 공동(52)의 주변, 공동(52)의 상하측에 배치될 수도 있다. 균등 분배 영역(553)에 의하면, 유체가 공동(52) 주변을 지나는 과정에서 균일성이 저하되더라도, 공동(52)을 통과한 유체가 전 유로(515)를 균등하게 흐르도록 할 수 있다. 예를 들어 균등 분배 영역(553)은 격자형 분지로를 포함할 수 있다.
예를 들어, 격자형 분지로를 형성하는 다각형 형상의 단위 접착 부분의 꼭지점은 각각 유로(551)의 단부에 위치할 수 있다. 다시 말하면, 단위 접착 부분의 꼭지점은 한 쌍의 인접한 유로 구획 접착부 사이에 위치할 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 유로(551)로부터 균등 분배 영역(553)으로 유입되는 유체의 유동 균일성을 보다 향상시킬 수 있다.
격자형 분지로는, 공동(52)의 좌우측과, 유체의 흐름 방향을 기준으로 공동(52)의 상하류측에 형성될 수 있다. 예를 들면, 유체의 흐름 방향을 기준으로, 공동의 상류측에 배치된 격자형 분지로를 제 3 격자형 분지로, 공동의 좌우에 배치된 격자형 분지로를 제 4 격자형 분지로, 공동(52)의 하류측에 배치된 격자형 분지로를 제 5 격자형 분지로라고 할 수 있다. 이와 같은 구조에 따르면, 공동(52)의 중심을 기준으로 균등 분배 영역(553)이 대칭 형상이 되므로, 집열기(5)는 리버서블하게 활용 가능하고, 유입구 및 배출구는 각각 배출구 및 유입구로 사용될 수 있다.
도 8은 일 실시 예에 따른 집열기의 정면도이다.
도 8을 참조하면, 집열기(6)는, 면상체(61), 공동(62), 유입구, 배출구 및 유체 가이드부(65)를 포함할 수 있다. 면상체(61)는 선형 접착부(611) 및 타공용 접착부(612)를 포함할 수 있다. 유체 가이드부(65)는, 유로(651), 슬로프 및 균등 분배 영역(653)을 포함할 수 있다.
선형 접착부(611)는 면상체(61)가 유로(651) 방향으로 접착된 부분이다. 예를 들어, 선형 접착부(611)는 유로 구획 접착부나 다른 선형 접착부(611)와 함께 직선형 분지로(6533)를 형성할 수 있다.
균등 분배 영역(653)은 유입측 및 배출측 뿐만 아니라, 공동(62)의 주변에 배치될 수도 있다. 여기서, 각 균등 분배 영역(653)의 형상은 반드시 같아야 하는 것은 아니고, 유입측 및 배출측에는 격자형 분지로, 공동(62)의 주변에는 집합로(6531) 및 직선형 분지로(6533)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 균등 분배 영역(653)은, 집합로(6531), 격자형 분지로 및 직선형 분지로(6533)를 포함할 수 있다.
집합로(6531)는, 유체의 흐름을 기준으로 공동(62)의 상류측에 제 3 집합로(6531) 및 공동(62)의 하류측에 제 4 집합로(6531)가 배치될 수 있다. 제 3 집합로(6531)를 통과하는 유체는, 직선형 분지로(6533)로 진입하기 전에 한곳에 모였다가 균등하게 분배될 수 있다. 제 4 집합로(6531)를 통과한 유체는 직선형 분지로(6533)를 통과한 뒤에 한곳에 모였다가 유로(651)로 균등하게 분배될 수 있다.
직선형 분지로(6533)는, 유로(651) 방향으로 면상체(61)를 접착한 선형 접착부(611)에 의하여 형성될 수 있다. 제 3 집합로(6531)에 모인 유체가 직선형 분지로(6533)에 의하여 재분배되어 흐를 수 있다. 공동(62)이 형성되는 2개의 타공용 접착부(612) 사이에 선형 접착부(611)가 복수 개 형성될 수 있다.
예를 들어 도 8에 도시된 것처럼, 직선형 분지로(6533) 중 공동(62)에 가장 인접한 직선형 분지로(6533)의 폭은 다른 직선형 분지로(6533)의 폭보다 넓을 수 있다. 다시 말하면, 공동(62)으로부터 공동(62)에 가장 인접한 선형 접착부(611)까지의 폭은, 한 쌍의 인접한 선형 접착부(611) 사이의 폭보다 더 넓게 형성될 수 있다. 이와 같은 구조를 통하여, 공동(62)을 우회하여 흐르는 유체의 압력 손실을 줄여줄 수 있다.
도 9는 일 실시 예에 따른 집열기의 정면도이다.
도 9를 참조하면, 집열기(7)는, 면상체(71), 공동(72), 유입구, 배출구 및 유체 가이드부(75)를 포함할 수 있다. 면상체(71)는 선형 접착부(711) 및 타공용 접착부(712)를 포함할 수 있다. 유체 가이드부(75)는, 유로(751), 슬로프 및 균등 분배 영역(753)을 포함할 수 있다.
균등 분배 영역(753)은 유입측 및 배출측 뿐만 아니라, 공동(72)의 주변에 배치될 수도 있다. 예를 들어, 각 균등 분배 영역(753)의 형상은 반드시 같아야 하는 것은 아니고, 도 9에 도시된 것처럼, 유입측 및 배출측에는 격자형 분지로가 배치되고, 공동(72)의 주변에는 집합로(7531) 및 직선형 분지로(7533)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 균등 분배 영역(753)은, 공동(72)에 인접한 부분에만 형성되고, 한 쌍의 인접한 공동(72)의 중앙 영역에는, 균등 분배 영역(753) 없이, 유로(751)가 연속적으로 형성될 수도 있다. 다시 말하면 도 8과 비교하여, 공동(72)에 인접한 좌우 영역을 제외한 공동(72)의 주변부에는 균등 분배 영역(753)이 형성되지 않을 수 있다. 예를 들어, 공동(72)에 인접한 좌우 영역에 형성된 균등 분배 영역(753)은, 집합로(7531) 및 직선형 분지로(7533)를 포함할 수 있다.
집합로(7531)는, 유체의 흐름을 기준으로, 공동(72)의 상류측에 배치되는 제 5 집합로(7531)와, 공동(72)의 하류측에 배치되는 제 6 집합로(7531)를 포함할 수 있다. 제 5 집합로(7531)를 통과하는 유체는, 직선형 분지로(7533)로 진입하기 전에 한곳에 모였다가 균등하게 분배될 수 있다. 분배된 유체는 직선형 분지로(7533)를 통과한 뒤에 제 6 집합로(7531)에서 모였다가 유로(751)로 균등하게 분배될 수 있다.
직선형 분지로(7533)는, 유로(751) 방향으로 면상체(71)를 접착한 선형 접착부(711)에 의하여 형성될 수 있다. 제 5 집합로(7531)에 모인 유체는 직선형 분지로(7533)에 의하여 재분배되어 흐를 수 있다. 예를 들어, 1쌍의 선형 접착부(711)는, 타공용 접착부(712)의 좌우에 대칭적으로 형성될 수 있다. 예를 들어, 선형 접착부(711)의 너비는 유로 구획 접착부의 너비보다 작을 수 있다. 이와 같은 구조에 의하면, 직선형 분지로(7533)에서 유체가 흐르는 개별 통로의 너비가 개별 유로(751)의 너비보다 크게 되고, 그 결과 공동(72)이 차지하는 면적으로 인하여 발생되는 유동의 불균일성을 줄여줄 수 있다.
도 10은 일 실시 예에 따른 집열기의 정면도이고, 도 11은 도 10의 a 부분을 확대한 도면이다.
도 10 및 도 11을 참조하면, 집열기(8)는, 면상체(81), 공동(82), 유입구, 배출구 및 유체 가이드부(85)를 포함할 수 있다.
면상체(81)는 유로 구획 접착부(811a, 811b, 811c) 및 타공용 접착부(812)를 포함하고, 유체 가이드부(85)는, 유로(851), 슬로프 및 균등 분배 영역(853)을 포함할 수 있다.
공동(82)의 주변에 형성된 균등 분배 영역(853)은, 집합로(8531) 및 중간 채널(8534)을 포함할 수 있다. 여기서, 집합로(8531)는, 공동(82)에 인접하게 형성되어, 공동(82)의 상류측 또는 하류측에 위치한 복수 개의 유로(851)와 연통되는 부분으로써, 접착된 부분을 포함하지 않을 수 있다. 여기서, 중간 채널(8534)은 유로(851)의 길이 방향을 따라서 길게 형성되며, 공동(82)의 측면을 따라 배치되는 부분으로써, 공동(82)의 상류측 집합로(8531) 및 하류측 집합로(8531)를 서로 연통시킬 수 있다.
집합로(8531)는, 예를 들어, 공동(82)의 중심으로부터 좌우 측(유체의 흐름에 수직한 방향)으로 멀어질수록, 공동(82)의 중심으로부터 상하 측(유체의 흐름과 평행한 방향)으로 멀어지는 형상을 가질 수 있다. 다시 말하면, 집합로(8531)에 연동하는 각각의 유로(851)의 단부 및 유로에 수직한 공동(82)의 일 면의 연장선 사이의 최단 거리는, 공동(82)의 중심으로부터 좌우 측으로 멀어질수록 길어질 수 있다. 다시 말하면, 유체의 흐름과 평행한 방향으로 바라볼 때, 집합로(8531)에 오버랩되는 유로 구획 접착부(811b, 811c)의 단부는, 공동(82)의 중심으로부터 좌우 측으로 멀어질수록, 유로(851)에 수직한 타공용 접착부(812)의 일 면의 연장선으로부터 멀어질 수 있다. 예를 들어, 도 11에 도시된 것처럼, 집합로(8531)는 직각 삼각형 형상을 가질 수 있으며, 이와 같은 형상에 의하면, 타공용 접착부(812)에 의해 유체의 유동 균일성이 감소하는 문제를 줄여줄 수 있다.
예를 들어, 집합로(8531)에 연통되는 각 유로(851)의 종단면적을 a라고 하고, 집합로(8531)에 연통되는 복수 개의 유로(851)의 개수를 n이라고 하고, 중간 채널(8534)의 종단면적을 b라고 할 때, 아래 [수학식]에 따른 관계가 성립할 수 있다. 예를 들어, 각 유로(851)의 높이와, 중간 채널(8534)의 높이가 서로 같다면, a 및 b는 각 구성 요소의 너비인 것으로 이해할 수 있다.
[수학식]
Figure 112020058803268-pat00002
a: 집합로(8531)에 연통되는 각 유로(851)의 종단면적
b: 중간 채널(8534)의 종단면적
n: 집합로(8531)에 연통되는 복수 개의 유로(851)의 개수
이와 같은 설계 조건에 의하면, 중간 채널(8534)을 흐르는 유체의 유량(Q2)은, 집합로(8531)와 연통하는 복수 개의 유로(851)를 흐르는 유체의 총 유량(Q1)의 50% 내지 150% 사이의 값을 가질 수 있어서, 공동(82) 주변을 따라 흐르는 유체의 흐름이 원활해질 수 있다. 예를 들어, 중간 채널(8534)을 흐르는 유체의 유량(Q2)은, 집합로(8531)와 연통하는 복수 개의 유로(851)를 흐르는 유체의 총 유량(Q1)과 같을 수도 있다.
도 12는 일 실시 예에 따른 집열기 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 12를 참조하면, 일 실시 예에 따른 집열기(1)를 제조하는 방법은, 한 쌍의 레이어를 적층하는 단계(21)와, 설정된 유체 가이드부 패턴을 따라서 한 쌍의 레이어를 접착함으로써 면상체를 형성하는 단계(22)와, 면상체 상에 공동을 형성하는 단계(23)를 포함할 수 있다.
단계 21에서, 한 쌍의 레이어는 예를 들어, 합성수지 재질 등 온수 매트의 소재와 유사한 소재로 제공될 수 있다.
단계 22는, 예를 들어, 고주파 융착(high frequency welding) 방식을 이용하여 수행될 수 있다. 적층된 한 쌍의 레이어에 혼(horn)을 이용하여 고주파를 인가함으로써, 유체 가이드부(15)가 형성될 부분을 제외한 나머지 부분을 융착시킬 수 있다. 예를 들어, 고주파 융착 이외에도 마찰 용접(friction welding), 초음파 융착(Ultrasonic Welding), 열융착, 용접, 또는 알루미늄 롤 본딩 등이나, 일반적인 접착제를 이용하는 본딩(bonding) 방식과 같은 다양한 방식을 이용하여 접착시킬 수 있다.
단계 23은, 예를 들어, 유체 가이드부(15)가 형성되지 않은 부분에 공동(12)을 형성함으로써 수행될 수 있다. 다시 말하면, 단계 22에서 접착된 부분의 중앙을 타공함으로써 유체 가이드부(15)에 영향을 미치지 않으면서도, 정션 박스가 관통하여 돌출 가능한 공동(12)을 형성할 수 있다. 예를 들어, 면상체(11) 내에서 유체 가이드부(15)가 형성되지 않은 부분은 유로 구획 접착부(111) 또는 타공용 접착부(112)인데, 이 중 타공용 접착부(112)를 타공하여 공동을 형성할 수 있다. 타공용 접착부(112) 상에 타공된 공동(12)으로는 태양광 패널의 정션 박스가 관통할 수 있다. 따라서, 정션 박스를 면상체(11)의 중심부에 관통시켜 수용할 수 있는 구조를 갖게 되므로, 정션 박스가 태양광 패널의 중심부에 위치하는 하프 컷 셀에 대해서도 집열기(1)를 적용할 수 있다.
도 13은 일 실시 예에 따른 집열기 제조 방법을 나타낸 순서도이다.
도 13을 참조하면, 일 실시 예에 따른 집열기(1)를 제조하는 방법은, 한 쌍의 레이어에 설정된 유체 가이드부 패턴을 인쇄하는 단계(31)와, 한 쌍의 레이어를 적층하는 단계(32)와, 한 쌍의 레이어를 부분 접착함으로써 면상체를 형성하는 단계(33)와, 한 쌍의 레이어 사이의 공간에 공기를 주입하는 단계(34)와, 면상체 상에 공동을 형성하는 단계(35)를 포함할 수 있다.
단계 31에서, 한 쌍의 레이어는 예를 들어, 알루미늄 재질 등의 금속 재질로 제공될 수 있다. 단계 31은, 실크 스크린 방식을 이용하여, 한 쌍의 레이어 중 적어도 하나 이상의 레이어에 설정된 유로 패턴대로 잉크를 인쇄하는 단계를 포함할 수 있다.
단계 33는, 예를 들어, 단계 32에서 적층된 한 쌍의 레이어를 정렬시킨 상태에서 가압 및 가열시킴으로써, 한 쌍의 레이어의 일부를 용융시켜 접합되게 할 수 있다. 단계 31에서 잉크가 인쇄된 부분은 용융되지 않고, 잉크가 인쇄되지 않은 부분은 용융되어 상대 레이어에 접합됨으로써, 한 쌍의 레이어의 사이에는 설정된 유체 가이드부 패턴의 틈이 형성될 수 있다. 단계 33을 통하여, 유로 구획 접착부(111) 및 타공용 접착부(112)가 형성된다.
단계 34는, 단계 34에서 형성된 면상체 중 한 쌍의 레이어의 사이 공간에 공기를 주입하여, 한 쌍의 레이어가 서로 접착된 부분을 제외하고 부풀어 오르게 할 수 있다. 이와 같이 부풀어 오른 부분이 곧 유체 가이드부(15)를 형성한다.
단계 35는, 유체 가이드부(15)가 형성되지 않은 부분 중 일부를 타공하여 공동(12)을 형성하는 단계를 포함할 수 있다. 한편, 단계 35는 단계 34 이후에 수행되는 것으로 도시하였으나, 반드시 이와 같이 제한되는 것은 아님을 밝혀 둔다. 예를 들어, 단계 35는 단계 34의 이전에 수행될 수도 있다.
한편, 한 쌍의 레이어는 모두 두께가 같을 수도 있으나, 각각 두께가 다를 수도 있다. 한 쌍의 레이어의 두께가 다를 경우, 단계 34에서 한 쌍의 레이어 사이 공간을 이루는 면에 동일한 팽창압이 가해지더라도, 두께가 얇은 레이어가 더 많이 팽창하여 유체 가이드부(15)를 형성하고, 두께가 두꺼운 레이어는 상대적으로 높은 편평도를 유지할 수 있다. 이 경우, 편평도가 높은 레이어를 태양광 패널 쪽에 밀착시킴으로써, 태양광 패널 및 집열기(1)의 접촉면을 향상시킬 수 있고, 그 결과 냉각 효율이 향상될 수 있다.
이상과 같이 비록 한정된 도면에 의해 실시 예들이 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 구조, 장치 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

Claims (16)

  1. 태양광 패널의 일측에 배치되며, 한 쌍의 레이어를 부분 접착 방식으로 결합시킴으로써 형성되는 면상체;
    상기 태양광 패널의 정션 박스가 상기 면상체를 관통하여 돌출될 수 있도록 상기 면상체 상에 형성된 공동; 및
    상기 한 쌍의 레이어 사이 공간에 형성되고, 상기 면상체의 일측에 형성된 유입구 및 상기 면상체의 타측에 형성된 배출구 사이에서, 상기 태양광 패널과 열교환되는 유체를 가이드 하기 위한 유로를 포함하는 유체 가이드부를 포함하고,
    상기 유체 가이드부는,
    상기 유로를 따라서 흐르는 유체를 합류 또는 분류시키면서, 균등하게 분배된 상태로 유동시킬 수 있는 균등 분배 영역을 더 포함하고,
    상기 균등 분배 영역은,
    유체의 흐름을 기준으로, 상기 공동의 상류측 및 하류측 및 적어도 하나 이상에 배치되고, 유체의 흐름 방향과 평행하지 않은 방향으로 길게 연통되는 형상을 갖는 집합로; 및
    상기 유로의 길이 방향을 따라서 길게 형성되며, 상기 공동의 측면을 따라 배치되는 부분으로써, 상기 집합로에 연통되는 중간 채널을 포함하고,

    [수학식]
    Figure 112022005192162-pat00017

    a: 상기 집합로에 연통되는 각각의 유로의 종단면적
    b: 상기 중간 채널의 종단면적
    n: 상기 집합로에 연통되는 복수 개의 유로의 개수

    위 [수학식]의 관계를 갖는 것을 특징으로 하는 집열기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 집열기는, 외부로부터 유체를 공급받거나, 유체를 외부로 토출시키는 유출입구를 더 포함하고,
    상기 유체 가이드부는,
    유체가 상기 유출입구 및 상기 유로 사이에 형성되며, 상기 유출입구로부터 유체의 흐름 방향에 수직한 방향으로 멀어질수록, 상기 유출입구로부터 유체의 흐름 방향에 평행한 방향으로 멀어지도록 경사지게 형성되는 슬로프를 더 포함하는 집열기.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 균등 분배 영역은,
    상기 유로가 복수 개의 갈래로 분지되고, 분지된 인접한 상기 갈래가 부분적으로 연결되어 연통하도록 형성된 격자형 분지로를 포함하는 집열기.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 균등 분배 영역은,
    유체의 흐름 방향과 평행한 방향으로 상기 면상체를 접착시켜 형성된 선형 접착부에 의하여 구획되는 직선형 분지로를 포함하고,
    상기 집합로에 모인 유체가 상기 직선형 분지로에 의하여 재분배되어 흐르는 것을 특징으로 하는 집열기.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 집합로는,
    상기 공동의 상류측 또는 하류측에 인접하여 형성되고,
    상기 공동의 중심으로부터 유체의 흐름에 수직한 방향으로 멀어질수록, 상기 공동의 중심으로부터 유체의 흐름과 평행한 방향으로 멀어지는 형상을 갖는 것을 특징으로 하는 집열기.
  8. 삭제
  9. 제 2 항에 있어서,
    상기 유체 가이드부는,
    상기 슬로프 및 상기 유로 사이에 배치되는 제 1 균등 분배 영역을 더 포함하는 집열기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 균등 분배 영역은,
    상기 슬로프를 따라서 흐르는 유체를 합류 또는 분류시키면서, 균등하게 분배된 상태로 상기 유로로 유동시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 집열기.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 유체 가이드부는,
    상기 유로 및 상기 공동의 사이에 배치되는 제 2 균등 분배 영역을 더 포함하는 집열기.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 유체 가이드부는,
    유체의 흐름을 기준으로, 상기 유로 및 상기 제 2 균등 분배 영역 사이에 배치되고, 유체의 흐름 방향과 평행하지 않은 방향으로 길게 연통되는 형상을 갖는 집합로를 더 포함하는 집열기.
  13. 제 1 항에 있어서,
    상기 면상체는,
    상기 집열기의 길이 방향을 따라서 길게 형성되며, 상기 유로를 구획하기 위한 복수 개의 유로 구획 접착부; 및
    상기 집열기의 길이 방향을 기준으로, 상기 복수 개의 유로 구획 접착부 중 적어도 2개 이상의 유로 구획 접착부에 오버랩되도록, 각각의 유로 구획 접착부의 폭보다 넓은 폭을 갖는 타공용 접착부를 포함하는 집열기.
  14. 제 1 항에 따른 집열기를 제조하는 방법에 있어서,
    한 쌍의 레이어를 적층하는 단계;
    설정된 유체 가이드부 패턴을 따라서 상기 한 쌍의 레이어를 접착함으로써 유로가 형성된 면상체를 형성하는 단계; 및
    상기 면상체 상에 공동을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 한 쌍의 레이어는 합성수지 재질로 이루어지고,
    상기 면상체를 형성하는 단계는,
    상기 한 쌍의 레이어에서, 상기 설정된 유체 가이드부 패턴을 제외한 부분을 고주파 융착 방식으로 융착시킴으로써 상기 유체 가이드부를 형성하는 것을 특징으로 하는 집열기를 제조하는 방법.
  15. 제 1 항에 따른 집열기를 제조하는 방법에 있어서,
    한 쌍의 레이어에 설정된 유체 가이드부 패턴을 인쇄하는 단계;
    상기 한 쌍의 레이어를 적층하는 단계;
    상기 한 쌍의 레이어를 부분 접착함으로써 면상체를 형성하는 단계;
    상기 한 쌍의 레이어 사이의 공간에 공기를 주입하여 상기 면상체 상에 유체 가이드부를 형성하는 단계; 및
    상기 면상체 상에 공동을 형성하는 단계를 포함하고,
    상기 한 쌍의 레이어는 알루미늄 재질로 이루어지고,
    상기 면상체를 형성하는 단계는,
    상기 한 쌍의 레이어를 정렬시킨 상태에서 가압 및 가열시킴으로써, 한 쌍의 레이어의 일부를 용융 및 접합시키는 것을 특징으로 하는 집열기를 제조하는 방법.
  16. 제 14 항 또는 제 15 항에 있어서,
    상기 면상체 상에 공동을 형성하는 단계는,
    상기 면상체 중 상기 유체 가이드부가 형성되지 않은 부분을 타공하여 공동을 형성하는 것을 특징으로 하는 집열기를 제조하는 방법.
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