KR20020075098A - 이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치 - Google Patents

이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 태양열 집열기로 태양열의 열적 성능을 효과적으로 활용하고 태양열 이용의 경제성과 편의성을 제공하기 위한 이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 외부튜브와 집열튜브 사이가 진공처리된 유리제 이중관의 내측으로 얇은 금속판으로 몸체를 형성되고 상부에 통기파이프가 장착된 사각실린더를 삽입시키되 집열튜브와 사각실린더 사이에 부동액을 채우고 사각실린더의 통기파이프 외주연으로 그루브가 음각된 마개를 밀봉시키고 집열튜브의 상단 내측과 마개 사이에는 오링으로 밀봉시켜 돌출된 마개부를 축열조 및 열교환장치의 파이프 내부로 삽입시켜서 태양열의 집열효과를 극대화시킨 것으로 외부튜브(45)와 검정색이 외부튜브(45)측으로 도색된 집열튜브(46) 사이가 진공처리된 유리제 이중관을 이용하는 태양열 집열기에 있어서, 이중관의 집열튜브(46) 내측으로 얇은 금속판으로 사각몸체를 형성하고 상부에 통기파이프(2)가 장착된 사각실린더(1)를 삽입시키되 집열튜브(46)와 사각실린더(1) 사이에 부동액(3)을 채우고 사각실린더(1)의 상단 통기파이프(2)에 그루브(4)가 음각되고 통기파이프 삽입공(9)이 천공된 금속재질의 마개(5)를 집열튜브(46)의 상단으로 돌출되게 밀봉시키는데 집열튜브(46)의 상단 내측과 마개(5) 사이에는 오링(6)으로 밀봉시켜 돌출된 마개부를 축열조(7) 및 열교환장치의 파이프(8) 내부로 삽입시킬 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치.

Description

이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치{Thermal expansion absorbing apparatus of double vacuum tube type solar collector}
본 발명은 태양열 집열기로 태양열의 열적성능을 효과적으로 활용하고 태양열 이용의 경제성과 편의성을 제공하기 위한 이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치에 관한 것으로 더욱 상세하게는 외부튜브와 집열튜브 사이가 진공처리된 유리제 이중관의 내측으로 얇은 금속판으로 몸체를 형성하고 상부에 통기파이프가 장착된 사각 실린더를 삽입시키되 집열튜브와 사각실린더 사이에 부동액을 채우고 사각실린더의 통기파이프 외주연으로 그루브가 음각된 마개를 밀봉시키고 집열튜브의 상단 내측과 마개 사이는 오링으로 밀봉시켜 돌출된 마개부를 축열조 및 열교환장치의 파이프 내부로 삽입시켜서 태양열의 집열효과를 극대화시킨 것이다.
일반적으로 태양열을 이용하기 위한 태양열 집열기는 외형적인 구조와 적용성을 고려하여 크게 두가지로 평판형과 진공관형 태양열 집열기로 구분된다.
종래에 가장 널리 보급된 평판형 태양열 집열기(P)는 도 7 에 도시된 바와같이 사각형 모양의 평판 형태로 구성된 것으로 구리나 알루미늄 등으로 제작된 얇은 금속판에 태양광선을 최대한 흡수할 수 있게 표면을 특수 화공처리한 집열판(31)을 형성하고 이 집열판(31)의 일측 표면에 동재질의 다수의 가는 지관(32)(32')을 일정간격으로 용접시켜서 사각 틀체 내에 삽입시키고 투명덮개를 씌워서 제작하였다.
상기와 같은 평판형 태양열 집열기(P)는 태양광선이 일차적으로 집열판(31)을 가열시키고 가열된 집열판(31)으로부터 지관(32)(32') 내부에 열전달매체(또는 물)가 열에너지를 전달받아 상단의 본관(33)에서 합류하여 축열조(34)나 열교환기로 흐르는 것이다.
상기 평판형 집열기(P)는 물을 직접 집열기에서 가열하여 이용하는 경우도 있지만 동절기 혹한기가 존재하는 지역에서는 물보다는 부동액을 열매체로 사용하여 집열기를 통과하면서 가열된 부동액이 이차적으로 물을 가열시키는 방식을 적용하고 있다.
상기 평판형 집열기(P)는 주로 낮은 온도범위 즉, 80℃ 이하의 태양열을 이용하고 있으며 집열판(31)의 상부에 투명덮개를 사용함에도 집열판(31)으로부터 대류현상에 의해 외부로의 열손실이 많이 발생하여 집열효율이 약 50%이하로 낮은 등여러가지 기능적 문제점이 있었다.
그리고 진공관형 태양열 집열기(V)는 유리튜브 형상을 하고 있으며 태양열 집열 표면과 접하는 폐쇄된 공간을 진공처리하여 대류에 의한 열손실을 차단시킬수 있게한 것으로,
도 8 의 (a),(b)에서와 같이 하나의 유리튜브를 사용하는 방법과 두 개의 유리튜브를 이중진공관의 형태로 사용하는 방법이 있다.
하나의 유리튜브를 사용하는 방법은 유리튜브(41)의 내부에 히트파이프(42)가 장착된 집열판(43)을 삽입시키고 유리튜브(41)의 상단으로 히트파이프(42)를 돌출,설치시킨 상태에서 금속재질의 마개(44)로 밀폐시키고 그 내부를 진공처리하여 집열판(43) 표면에서 집열된 태양열이 대류에 의해 외부로 손실되는 것을 차단시키는 것이다.
상기와 같은 형태의 진공관형 태양열 집열기(V)는 유리튜브(41)의 상단을 금속재질의 마개(44)로 밀봉시킴에 있어 유리와 금속의 접합문제로 인하여 상당히 복잡한 공정이 요구되며 이로 인한 내구성 및 경제성의 문제가 있었다.
또한 두 개의 유리튜브를 이중진공관의 형태로 사용하는 방법의 진공관형 태양열 집열기(V)는 외부튜브(45)와 태양열 집열을 위해 특수표면 처리된 집열튜브(46)사이를 진공으로 처리한 유리제 이중관을 형성하고 집열튜브(46)의 내측으로 물을 채우고 이중관의 상부를 단열마개(47)로 밀봉시켜 집열튜브(46) 내측에 채워진 물을 데우도록 하므로써 태양에너지를 집열하는 방식으로 외부튜브(45)와 집열튜브(46) 사이를 진공으로 처리하여 공기의 대류에 의한 외부로의 열손실을 차단시켰다.
상기의 방식은 집열기 본체의 제작에는 문제가 없으나 물을 집열튜브(46) 내에 직접 채워서 가열하면 동절기,혹한기의 동파 문제와 태양열에 의해 가열된 집열튜브(46) 내에 물이 갑자기 유입되면 열응력에 의해 집열튜브(46)가 열쇼크 현상이 발생하여 파손되는 문제가 있으며 또한 외부튜브(45)와 집열튜브(46)의 재질이 유리제로 제작되어 축열조와 직접 접속되어 있어 튜브중 어느 하나가 파손되면 축열조의 물이 파손된 튜브로 누수되는 위험성이 있을 뿐만아니라 물 자체의 열용량이 커 집열튜브를 크게 만들어 보다 더 뜨거운 물을 얻을 수 있는 방법이 전혀 없었다.
그리고 집열튜브(46)의 내부로 도 8 의 (a)에서와 같이 히트 파이프등의 집열장치를 장착할 수도 있으나 이 경우 집열면〔집열투브(46)의 내측면〕으로부터 전열장치로 열에너지가 잔달될 때 집열면과 전열장치가 완벽하게 접촉이 되지않아 열저항이 발생하고 집열효율이 저하되는 문제점이 있었다.
상기와 같은 문제점을 보완하기 위하여 근래에는 도 9 의(a)(b)(c)경우와 같이 형편에 따라 유리제 이중관을 사용하는 방법으로 태양열을 집열하고 있다.
도 9 의 (a)경우 외부튜브(45)와 집열튜브(46)로 구성된 완전 유리식 진공관형 태양열 집열기(V)는 물을 직접 집열튜브(46)내에 채워서 가열하며,(b)(c)경우 집열튜브(46)내에 구리판(48)를 말아서 집열튜브(46)의 내면에 밀착하여 삽입한 후 "U"자형의 구리관(42')이나 히트 파이프(42)를 집열튜브(46)와 삽입된 구리판(48) 사이에 끼워넣는 방식을 적용하고 있다.
상기 (a)의 방식은 도 8 의 (b)와 동일한 문제점을 가지는 기능적 및 설계상의 문제가 있고,(b)(c)와 같이 구리판(48)을 삽입하는 방식은 시스템 이용의 복잡성과 함께 제작비용의 증가 및 구리판(48)과 "U"자형 구리관(42') 또는 히트 파이프(42) 사이의 접촉불량으로 인한 열저항의 증가와 이로 인한 집열효율이 저하되는 문제가 있고 또한 상기 (a)방식은 직접 물을 집열튜브(46) 내에서 가열하므로 물의 열용량이 큰 관계로 집열튜브(46)의 크기를 증가시켜 집열면적을 확대시킬 수 없는 설계상의 문제를 가지고 있는 것이다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 목적으로 창출된 것으로 히트 파이프,구리판 및 "U"자형 구리관을 별도로 제작할 필요가 없으며 집열튜브에서 직접 부동액을 가열시켜 열저항을 극소화시킬 수 있을 뿐만아니라열매체인 부동액과 태양열 에너지를 이용하여 가열하고자 하는 유체(물 등)가 분리되어 열쇼크 현상이 발생하지 않음은 물론, 집열튜브가 파손되더라도 시스템 전체에 영향을 미치지 않으며 내부에 장착된 사각실린더 또는 원통형 주름관을 통하여 부동액의 양을 조절하므로써 열매체의 가열온도와 열응답성 뿐만아니라 집열튜브의 태양열 집열면적 조절이 가능하여 시스템의 설계사양을 필요에 따라 임의로 변화시킬 수 있는 기능적으로 적용성이 뛰어난 이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치를 제공하기 위한 것이다.
상기한 이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치를 제공하기 위하여 외부튜브와 검정색이 외부튜브측으로 도색된 집열튜브 사이가 진공처리된 유리제 이중관을 이용하는 태양열 집열기에 있어서 집열튜브의 내측으로 얇은 금속판으로몸체를 형성되고 상부에 통기파이프가 장착된 사각실린더를 삽입시키되 집열튜브와 사각실린더 사이에 부동액을 채우며 사각실린더의 통기파이프 외주연으로 그루브가 음각된 마개를 집열튜브의 상단으로 약 10cm 정도 돌출되게 밀봉시키는데,집열튜브의 상단 내측과 마개 사이는 오링으로 밀봉시켜 돌출된 마개부를 축열조 및 열교환장치의 파이프로 삽입시켜서 태양열의 집열효과를 극대화시킬 수 있는 장치를 제공할 수 있고 또한 상기의 사각실린더의 기능을 수행할 수 있는 얇은 금속판으로 원통형 주름관을 형성하여 금속재질의 마개에 중앙 하단으로 주름관 안내봉을 설치하여 열팽창을 흡수할 수 있게 하였다.
도 1 은 본 발명의 전체구조를 도시한 분리사시도
도 2 는 본 발명의 전체단면 구조도
도 3 은 도 2 의 A-A단면 구조도
도 4 는 본 발명의 원통형 주름관을 이용한 단면 구조도
도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 사용상태도
도 6 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용상태도
도 7 은 종래의 평판형 태양열 집열기의 구조도
도 8의 (a)는 종래 단일 진공관형 태양열 집열기의 구조도
(b)는 종래 이중 진공관형 태양열 집열기의 구조도
도 9 의 (a)(b)(c)는 히트파이프를 이용한 종래 이중 진공관형 태양열 집열기의 구조도
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
(1) 사각실린더 (2) 통기파이프
(3) 부동액 (4) 그루브
(5) 금속재질의 마개 (6) 오링
(7) 축열조 (8) 열교환장치의 파이프
(9) 통기파이프의 삽입공 (10) 원통형 주름관
(10') 주름관 안내홈 (11) 주름관 안내봉
(12) 무게중심체 (45) 외부튜브
(46) 집열튜브
이하 발명의 요지를 첨부된 도면에 연계시켜 그 구성과 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명의 전체구조를 도시한 분리사시도로서 이중관,사각실린더 및 금속재질 마개가 분리된 상태를 도시하였으며,도 2 는 본 발명의 전체단면 구조도로서 이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치의 결합된 상태의 단면과 사각실린더의 작용을 도시하였으며,도 3 은 도 2 의 A-A단면 구조도이고,도 4 는 본 발명의 원통형 주름관을 이용한 단면 구조도이고,도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 사용상태도로서 축열조에 장착된 상태이고,도 6 는 본 발명의 다른 실시예에 따른 사용상태도 파이프(열교환장치)내에 장착된 상태를 도시한 것이다.
외부튜브(45)와 검정색이 외부튜브(45)측으로 도색된 집열튜브(46) 사이가 진공처리된 유리제 이중관을 이용하는 태양열 집열기에 있어서,
이중관의 집열튜브(46) 내측으로 얇은 금속판으로 사각몸체를 형성하고 상부에 통기파이프(2)가 장착된 사각실린더(1)를 삽입시키되 집열튜브(46)와 사각실린더(1) 사이에 부동액(3)을 채우며 사각실린더(1)의 상단 통기파이프(2)에 그루브(4)가 음각되고 통기파이프 삽입공(9)이 천공된 금속재질의 마개(5)를 집열튜브(46)의 상단으로 돌출되게 밀봉시키는데 집열튜브(46)의 상단 내측과 마개(5) 사이에는 오링(6)으로 밀봉시켜 돌출된 마개부를 축열조(7) 및 열교환장치의 파이프(8)로 삽입시켜서 된 구조이다.
상기한 사각실린더(1)는 원형이 아닌 삼각,오각 및 육각형 등의 구조로도 가능하며 금속재질의 마개(5)는 집열튜브(46)의 높이 보다 약 10cm 정도 돌출되게 설치하는데 그루브(4)가 음각된 마개(5)의 상단 단턱이 형성된 구성은 이중관 집열튜브(46)의 내경에 따라 단턱을 제거하고 동일한 직경으로 형성하여 일측 상하방향 전체에 그루브(4)를 설치할 수도 있는 것이다.
또한 이중관의 집열튜브(46) 내측으로 상부는 주름관 안내홈(10')이 형성되고 내측 하단으로 무게중심체(12)가 삽입된 얇은 금속판으로 형성한 원통형 주름관(10)의 주름관 안내홈(10')을 마개(5)에 설치된 주름관 안내봉(11)에 삽입시키고 집열튜브(46)의 상단 내측과 마개(5) 사이에는 오링(6)으로 밀봉시켜 돌출된 마개부를 축열조(7) 및 열교환장치의 파이프(8)로 삽입시켜서 된 구조이다.
이와같이된 본 발명은 일조시간대에 태양에너지가 외부튜브(45)를 통하여 검정색이 도색된 집열튜브(46)에 조사되면 집열튜브(46)가 가열되고 이로 인하여 내측의 부동액(3)에 열에너지가 전달되어 부동액(3)이 가열되며 가열된 부동액(3)은집열튜브(46)의 상단을 통하여 마개(5)의 내측 상단부까지 이동항 뿐만아니라 자연순환에 의하여 전체 부동액(3)의 온도가 상승되면 부피가 팽창하여 집열튜브(46) 내의 압력이 상승하게 되고 이 압력은 도 3 에 도시된 바와같이 사각실린더(1)를 압박하게 되는데 사각실린더(1)의 각 표면이 일점쇄선과 같이 함몰되면서 이를 흡수하여 집열튜브(46) 내의 과도한 압력상승을 억제시킨다.
상기와 같이 사각실린더(1) 각 면이 함몰되면서 내부의 공기도 부동액(3)의 가열과 함께 온도와 압력이 상승하게 되는데 되고 이 공기는 사각실린더(1)의 상단에 장착된 통기파이프(2)를 통하여 집열기 외부로 나온 후 마개(5)의 일측에 형성된 그루브(4)를 따라 외부로 배출되므로써 사각실린더(1)의 내부는 항상 대기압을 유지하게 되는 것이며 일몰 후에는 부동액(3)이 냉각되어 부피가 원상태로 복귀되면 사각실린더(1)의 각 면도 금속 특유의 탄성으로 인하여 원상태로 복귀되는 것이다.
한편,집열튜브(46)의 내측 상단의 가열된 부동액(3)은 마개(5)의 내측 상단부까지 이동하게 되어 금속재질의 마개(5)를 가열시키는데 이 마개(5)가 축열조(7) 또는 열교환장치의 파이프(8) 내부에 삽입되면 유체(물 등)에 열에너지를 전달하는 것이다.
이때 마개(5)는 도 5,6 에서와 같이 집열튜브(46)를 이용하여 가열하고자 하는 유체와 직접 접촉되지 않도록 하여야 하는데 이는 상기의 사각실린더(1) 상부에 장착된 통기파이프(2)가 마개(5)의 삽입공(9)과 그루브(4)를 따라 사각실린더(1)의 내부공기와 대기중의 외부공기와 상호 배출 및 인입될 수 있게 하기 위한 것이다.
그리고 상기 사각실린더(1)를 그 단면이 삼각,오각 및 육각형 등 다른 비원형의 실린더 형태로 대체하여도 집열튜브(46) 내의 압력변화에 따라 각 면이 함몰 또는 복원되면서 집열튜브(46) 내의 압력조절 기능을 수행할 수 있으며 금속재질의 마개(5)는 집열튜브(46)의 높이 보다 약 10cm 정도 돌출되도록 설치하여 축열조(7) 및 열교환장치의 파이프(8)의 내부로 삽입,장착을 용이하게 하였는데 그루브(4)가 음각된 마개(5)의 상단 단턱이 형성된 구성은 이중관 집열튜브(46)의 내경크기에 따라 단턱을 제거하고 동일한 직경으로 형성하여 삽입,장착하게 할 수 있으며 공기의 통기를 위하여 마개(5)의 일측 상하방향 전체에 그루브(4)를 설치하여 통기가 원활히 일어날 수 있는 것이다.
그리고 도 4 에 도시된 바와같이 이중관의 집열튜브(46) 내측으로 원통형 주름관(10)의 주름관 안내홈(10')을 마개(5)에 설치된 주름관 안내봉(11)에 삽입,설치하며 원통형 주름관(10)의 내측 하단에는 부동액(3)의 부력에 의해 상부로 뜨는 것을 방지하기 위하여 무게중심체(12)가 삽입된다.
상기 안내홈(10')의 하단과 안내봉(11)은 일정 간격을 두어 태양에너지에 의하여 부동액(3)의 온도가 상승하게 되면 그 부피가 팽창하여 집열튜브(46) 내의 압력이 상승하게되면 원통형 주름관(10)을 압박하여 얇은 금속판으로 형성된 주름부가 펴지면서 원통형 주름관(10)의 내측 하단에 설치된 무게중심체(12)에 의하여 원통형 주름관(10)이 집열튜브(46)의 하단에 지지되고 상단의 안내홈(10')은 주름관 안내봉(11)을 따라 안내되면서 상승하여 압력상승을 억제시키고 일몰 후 부동액(3)이 냉각되어 부피가 원상태로 복귀되면 원통형 주름관(10)의 펴졌던 얇은 금속판으로 형성된 주름부가 탄성에 의하여 수축되면서 원상태로 복귀되는 것이다.
본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
그러므로 본 발명은 종래의 태양열 집열기에서 장착하는 히트 파이프,구리판 및 "U"자형 구리관 등을 별도로 제작할 필요가 없고 집열튜브에서 직접 부동액을 가열시킴으로써 열저항을 극소화시키고 열매체인 부동액과 태양열 에너지를 이용할려는 유체(물 등)가 분리되어 열쇼크 현상이 발생하지 않을 뿐만아니라 집열튜브가 파손되더라도 시스템 전체에 영향을 미치지 않으며 집열튜브 내부에 장착된 사각실린더 또는 원통형 주름관을 통하여 부동액의 양을 조절함으로써 열매체의 가열온도는 물론 태양열 집열장치로써의 그 열응답성과 집열면적 조절이 가능하여 시스템 설계사양을 필요에 따라 탄력적으로 가변시킬 수 있는 뛰어난 적용성을 지니게 되는 등의 효과가 있는 것이다.

Claims (4)

  1. 외부튜브(45)와 검정색이 외부튜브(45)측으로 도색된 집열튜브(46) 사이가 진공처리된 유리제 이중관을 이용하는 태양열 집열기에 있어서,
    이중관의 집열튜브(46) 내측으로 얇은 금속판으로 사각몸체를 형성하고 상부에 통기파이프(2)가 장착된 사각실린더(1)를 삽입시키되 집열튜브(46)와 사각실린더(1) 사이에 부동액(3)을 채우며 사각실린더(1)의 상단 통기파이프(2)에 그루브(4)가 음각되고 통기파이프 삽입공(9)이 천공된 금속재질의 마개(5)를 집열튜브(46)의 상단으로 돌출되게 밀봉시키는데 집열튜브(46)의 상단 내측과 마개(5) 사이에는 오링(6)으로 밀봉시켜 돌출된 마개부를 축열조(7) 및 열교환장치의 파이프(8)로 삽입시켜서 된 것을 특징으로 하는 이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    사각실린더(1)는 그 단면이 원형이 아닌 삼각,오각 및 육각형 등의 실린더 구조로 하는 것을 특징으로 하는 이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    금속재질의 마개(5)는 집열튜브(46)의 높이 보다 약 10cm 정도 돌출되게 설치하고 이중관 집열튜브(46)의 내경에 따라 단턱을 제거하고 동일한 직경으로 형성하고 일측 상하방향 전체에 그루브(4)를 설치하는 것을 특징으로 하는 이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치.
  4. 외부튜브(45)와 검정색이 외부튜브(45)측으로 도색된 집열튜브(46) 사이가 진공처리된 유리제 이중관을 이용하는 태양열 집열기에 있어서,
    이중관의 집열튜브(46) 내측으로 상부는 주름관 안내홈(10')이 형성되고 내측 하단으로 무게중심체(12)가 삽입된 얇은 금속판으로 형성한 원통형 주름관(10)의 주름관 안내홈(10')을 마개(5)에 설치된 주름관 안내봉(11)에 삽입시키고 집열튜브(46)의 상단 내측과 마개(5) 사이에는 오링(6)으로 밀봉시켜 돌출된 마개부를 축열조(7) 및 열교환장치의 파이프(8)로 삽입시켜서 된 것을 특징으로 하는 이중 진공관형 태양열 집열기의 열팽창 흡수장치.
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