KR20020089955A - 열교환기와 이를 이용한 태양열난방장치 - Google Patents

Abstract

개시된 내용은 새로운 열교환기를 제공함과 아울러 이를 적용한 태양열난방장치를 제공하고자 한다.

이 열교환기는, 수열부재:

상기 수열부재내의 일측가열면에 내접하여 열을 받는 제 1영역이 위치함과 아울러 제 2영역은 물이 통과하는 영역에 위치하여 수열부재를 통한 열이 제 1영역을 가열함과 동시에 제 2영역에서 물과 열교환이 이루어지게 하는 히트파이프: 및

상기 수열부재의 내접면에 근접설치되어 외면으로 부터의 고열과 접촉가능하고, 관내에는 소정의 순환장치를 통하여 물이 흐르도록 함과 동시에 상기 히트파이프의 제 2영역을 내설한 수관을 포함하며,

이를 이용한 태양열난방장치는, 여기에 상기 집열기을 통하여 가열된 온수를 집수하여 일시 저장하기 위한 온수저장부(200); 상기 집열기에서 얻어진 전력을 이용하여 소정의 열을 발생하여 상기 저장된 온수를 소정온도로 가열유지하도록 하기 위하여 상기 온수저장부 저면에 설치된 열전소자(430); 및 상기 온수저장부에 연결되어 난방에 필요한 온수가 소정의 온수관과 제어수단을 통하여 순환공급되어 난방이 이루어지게 하는 난방수단(300)을 포함하여서 된다.

Description

열교환기와 이를 이용한 태양열난방장치{Heating exchanger and heating apparatus for use of solar collector}

본 발명은 열교환기와 이를 이용한 태양열난방장치에 관한 것으로 특히 수관에 흐르는 물에 히트파이프가 직접 접촉시켜 열이 전달되는 열교환기와, 이 열교환기로서 태양열을 집열하여 난방이 가능하게 한 난방장치에 관한 것이다.

종래로 부터 태양열을 이용한 태양열난방장치의 구성은 집열부,축열부,이용부로 구성되며, 각 구성부 사이의 열전달방법에 따라 기계적 강제순환방식의 설비형(active)시스템, 비기계적 자연순환방식의 자연형(passive)시스템, 기계적 및 비기계적 혼합형(hybrid)시스템으로 분류 사용되어 왔다.

가장 흔하게 알려진 설비형 시스템은 태양열 난방시스템이며, 이는 태양열 집열기와, 집열된 태양열에너지를 집열기로 부터 축열탱크까지 전달하기 위한 열교환기와 펌프로 이루어지며, 열전달유체로는 에틸렌글리콜과 같은 부동액을 물에 혼합하여 사용한다.

집열기로 전달된 태양열은 축열탱크내에 온수로서 저장된다. 축열탱크의 크기는 대개 일사량없이도 1-3일간 열에너지를 공급할 수 있도록 설계된다. 이때 저장된 열의 일부는 급탕용으로 사용하기도 한다. 축열탱크에 저장된 열은 여름동안은 흡수냉동기를 작동시키는 곳으로 전달되고 겨울철에는 실내의 난방코일로 직접 전달된다. 열에너지에 의해 작동되는 흡수냉동기는 여름동안 사용된다.

태양열 시스템에는 보조난방을 위한 가열기가 반드시 필요하며, 이는 흡수냉동기 뿐만아니라 실내의 난방에도 사용하기 위함이다. 흡수냉동기가 작동할 때에는 보통 외기로 열방출이 되어야 하므로 특수장치의 팬과,코일유닛과,쿨링타워가 설비된다. 축열탱크 또는 보조난방 가열기로 부터의 열에너지가 난방에 직접 사용되며, 흡수냉동기는 실내의 냉방도 가능하다. 약 1년간의 설비형 태양열 냉,난방 및 온수시스템의 효율은 약 40%이고, 난방과 온수만의 시스템 효율은 약 25%이다. 설비형 태양열 냉,난방시스템의 가장 큰 문제점은 부식의 속도가 빠른 점이고,도관시스템이 지나치게 복잡하며,제어장치가 별도 구성되어야 하며,집열기를 받치기 위한 구조가 복잡한 단점등이 있다.

일반적인 태양열 집열판 시스템은 집열판에 윅(wick)이 있는 동관을 사용하며 이 동관내를 흐르는 열매체가 증발,응축하면서 열교환이 이루어지며 열교환후의 열매체는 윅을 통하여 원위치 되는 히트파이프구조를 갖는다. 이것은 특정부위에서만 열교환이 이루어지는 단점이 있으며, 열교환기가 집열판과 따로 설비되어 구조가 복잡하였다.

따라서 구조의 복잡성을 탈피한 새로운 형태의 열교환기가 필요로 되며, 특별히 본 발명은 별도 열교환기없이 집열판에서 열교환이 직접 이루어지는 단순구조의 열교환 및 집열판구조를 기술적 과제로 한다.

본 발명의 목적은 열교환기능을 수행할 수 있는 태양열집열기를 제공하고자 한다. 보다 구체적으로 본 발명은 외부로 부터의 고열이 수관내부를 관통하는 히트파이프로서 직접 열전달이 이루어지도록 하며 외부에서는 수열기능을 담당하고, 수관내부에서는 물에 접촉하여 열전달이 이루어지는 히트파이프를 이용한 열교환장치를 제공하려는 데에 있다.

본 발명은 바닥난방구조 역시에 수관의 길이를 짧게하고 그 내부에 열전달영역을 위치시키고 외부에는 직접열을 수열하는 영역의 연속하는 히트파이프로 이루어진 열교환기를 제공하고자 하는 데에 주된 목적이 있다.

더욱이 본 발명은 이와같은 태양열이 집열되는 동안에 축열된 온수의 소정온도유지가 가능하도록 자력발전및 이에 따른 가열기능이 부가된 난방장치를 제공하는 데에도 그 목적이 있다.

본 발명은 이와같은 냉난방 및 온수공급이 가능한 태양열 집열 및 난방장치에 사용된 히트파이프가 판재형 히트파이프인 난방장치도 제공하는 데에도 그 목적이 있다.

본 발명은 상기와 같은 목적을 달성함과 아울러 바닥난방에서도 수관과 히트파이프가 복합적으로 이루어진 히트파이프배관방식의 배관구조도 제공하는 데에 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명 열교환기의 설치구조를 나타내는 평면개략도,

도 2는 본 발명 태양열 집열기의 단면도,

도 3은 본 발명 태양열을 이용한 난방장치,

도 4는 본 발명 열교환기를 이용한 태양열난방장치의 주택바닥배선도.

※도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100:태양열 집열기...........................110:수관

111:입수구..................................113:출수구

112:입구....................................114:출구

120:히트파이프..............................122:제 1영역의 히트파이프

124:제 2영역의 히트파이프...................130:집열판

140:냉각관..................................150:단열재

200:온수저장부..............................300:난방부

310:제 1영역의 히트파이프...................320:제 2영역의 히트파이프

330:온수관..................................340:어댑터

400:발전부..................................410:발전소자

420:축전기..................................430:열전소자

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 목적은 열교환기에 있어서,열을 집열하기 위한 집열면을 외부에 구비한 수열부재; 상기 수열부재내의 일측가열면에 내접하여 열을 받는 제 1영역이 위치함과 아울러 제 2영역은 물이 통과하는 영역에 위치하여 태양열 집열기를 통한 열이 제 1영역을 가열함과 동시에 제 2영역에서 물과 열교환이 이루어지게 하는 히트파이프: 및 상기 수열부재의 내접면에 근접설치되어 외면으로 부터의 고열과 접촉가능하고, 관내에는 소정의 순환장치를 통하여 물이 흐르도록 함과 동시에 상기 히트파이프의 제 2영역을 내설한 수관을 포함하는 열교환기를 제공한다.

이와같은 열교환기의 상기 수관은 폐로를 형성하는 히트파이프의 입출구 양단을 인출하기 위한 히트파이프 입구부와 출구부를 형성한다.

본 발명 열교환기를 이용한 태양열난방장치는,

집열판의 내접면에 수관 및 발전소자를 근접설치한 태양열 집열기; 상기 집열기을 통하여 가열된 온수를 집수하여 일시 저장하기 위한 온수저장탱크; 상기 집열기에서 얻어진 전력을 이용하여 소정의 열을 발생하여 상기 저장된 온수를 소정온도로 가열유지하도록 하기 위하여 상기 온수저장탱크 저면에 설치된 발열수단; 및 상기 온수저장탱크에 연결되어 난방에 필요한 온수가 소정의 온수관과 제어수단을 통하여 순환공급되어 난방이 이루어지게 하는 난방수단을 포함하는 열교환기을 이용한 태양열난방장치로서 달성된다.

이와같은 본 발명 열교환기를 이용한 태양열난방장치의 상기 난방수단은 히트파이프가 외부 난방면에 매설되어 난방되며, 히트파이프는 온수가 공급되는 온수관내에 내설되는 특징이 있다.

본 발명 태양열 집열기는, 상기 집열판의 일측가열면에 내접하여 열을 받는 제 1영역이 위치함과 아울러 제 2영역은 상기 수관내에 위치하여 제 1영역의 열이 상기 수관내의 제 2영역으로 전달되어 물과 열교환이 이루어지게 함이 바람직하다.

본 발명 열교환기를 이용한 태양열난방장치의 상기 발전수단에는 전력을 소정시간동안 지속 공급,축전하기 위한 축전지를 더 포함함이 바람직하며, 상기한 발전수단으로는 발열소자가 바람직하다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면과 함께 구체적으로 설명한다.

첨부 도면 도 1은 본 발명 태양열 집열기(100)에 설비되는 열교환구조를 나타내는 개략 평면도이고, 도 2는 본 발명 태양열 집열기에 설치되는 열교환구조의 단면도이다.

이 도면들에 따르는 본 발명 열교환기(100)의 구조는 입수구(111)와 출수구(113)를 형성한 수관(110)과, 제 2영역(124)이 수관(110)의 내부에 관통되고 제 1 영역(122)은 외부에 설비되는 히트파이프(120)로 이루어진다.

상기 수관(110)은 폐로를 형성하는 히트파이프(120)의 입출구 양단을 인출하기 위한 히트파이프 입구(112)와 출구(114)를 각각 형성한다.

이와같은 열교환기(100)는 집열판(130)을 통하여 소정의 열을 집열함으로써 열교환이 이루어진다.

상기 열교환기(100)의 집열판(130)은 태양열집열판이 바람직하다.

이와같은 태양열을 집열하는 방식의 열교환기(100)는 히트파이프(120)의 제 1영역(122)이 집열판(130)에 접촉되게 설치하고 제 2영역(124)이 상기 수관(110)내에 내설함으로써 수관(110)내 물을 가열할 수 있다.

미설명부호 140은 냉각관으로 발전소자(410)의 발전시의 열을 식히게 되고, 150은 단열재이다.

이하에서는 본 발명 태양열난방장치에 대하여 설명한다.

첨부 도면중 도 3은 본 발명 태양열난방장치의 전체 설비도이고, 도 4는 본 발명 태양열난방장치의 주택바닥난방배관구조를 나타낸다.

상기 도면들에 따르는 본 발명 태양열난방장치(200)는 전체적으로 태양열집열 및 열교환이 이루어지는 열교환기(100)와, 이 열교환기(100)로 부터 가열급수된 온수를 소정시간동안 축열하기 위한 온수저장부(200)와, 이 온수저장부(200)의 온수로서 난방이루어지는 난방부(300) 및 상기 열교환기(100)에 설치된 발전소자(410)에 의하여 소정의 전력을 발전한 뒤 축전하기 위한 축전기(420)와, 이 축전기(420)의 전원에 의하여 상기 온수저장부(200)의 저면을 소정온도로 가열유지하기 위한 열전소자(430)로 이루어진 발전부(400)로 이루어진다.

상기 태양열 집열로서 열교환되는 열교환기(100)는 상술한 바와같은 구조로 이루어진다. 상기 온수저장부(200)는 공지의 축열구조로 이루어지나, 그 저면은 열전소자(430)가 설치되어 있다.

상기 난방부(300)는 상기 온수저장부(200)에 연결되어 난방에 필요한 온수가 온수관과 소정의 제어수단(도시생략)을 통하여 순환공급된다.

특히, 상기 난방부(300)는 제 1영역의 히트파이프(310)가 외부 난방면에 매설되고, 제 2영역의 히트파이프(320)가 온수가 공급되는 온수관(330)내에 내설되어 있다. 미설명부호 340은 어댑터이다.

이와같이 이루어진 본 발명 태양열을 이용한 열교환기는 태양열로 부터 얻어지는 고에너지의 열을 단지 순환중인 물에 간접 접촉시켜 온수를 얻음에 따른 열전달 손실을 개선하여 히트파이프를 통하여 열이 직접접촉되게 한 뒤 수관(110)내에 설치된 제 2영역의 히트파이프(124)가 물에 직접접촉하여 가열하도록 함으로써 열효율을 증가시키게 된다.

본 발명 열교환기(100)는 집열면측에는 제 1영역의 히트파이프(122)를 설치하여 열이 가해지는 순간 즉시 열이 히트파이프내 매체를 타고 수관(110)내부로 전달되어 수관(110)내를 흐르는 물을 가열하도록 하는 한편 집열면으로 부터의 여열로 수관(110)도 간접가열되도록 함으로써 물의 열효율을 높이게 되며, 동시에 발전소자(410)을 통하여 소정의 전력을 얻어 이를 통하여 온수저장부의 온도를 유지하게 되는 특징이 있다.

이때에 사용되는 히트파이프는 종래 윅의 구조를 갖는 복잡한 구조의 히트파이프도 가능하나, 본 발명은 특히 직경이 약 4mm의 모세관에 소정의 열매체를 내장한 간단한 단면구조의 히트파이프로서 열전달이 이루어지도록 함으로써 새로운 방식의 히트파이프가 적용되었다. 이것은 히트파이프라기 보다는 열전달파이프라고도 할 수 있다. 이때의 전달온도는 종래 히트파이프가 약 78℃이던 것이 약 95-100℃로 증가되는 잇점도 있다.

뿐만아니라 태양열 대신 제 1영역의 히트파이프에 소정의 열을 가하면 자동적으로 온수가 배수됨으로 연료를 태우면서 제 1영역의 히트파이프를 가열하여 제 2영역에 접촉하는 수관내에서 물을 가열하도록 하는 열교환구조에도 이를 적용할 수 있다.

본 발명의 난방작동을 설명한다.

본 발명 열교환기가 적용된 난방장치는 이중구조의 수관에서 배수되는 온수가 온수저장부(200)에 설치된 축열구조를 통하여 저장된다.

이때 온수의 온도 저하를 고려하여 열전소자(430)가 저부에 설치된다. 이 열전소자의 전원은 이미 집열기(100)의 집열면 일측에 설치된 발전소자(410)을 통하여 얻어진 전원이며, 소정의 축전기(420)을 통하여 상시 공급가능하다. 이와같이 소정온도로 유지된 온수는 난방에 필요한 온수로 공급된다.

난방부(300)로 공급된 온수는 선형배치된 온수관(330)을 통하여 제 2영역의 히트파이프(320)에 열을 교환한다. 이때 제 1영역의 히트파이프(310)는 실내 바닥에 배관되어 있으므로 실내바닥이 소정온도로 난방유지된다. 이와같은 난방을 위한 배관구조는 상술한 열교환기(100)와 같은 수관과 히트파이프구조로 열의 교환이 이루어진다.

본 발명은 이와같은 냉난방 및 온수공급이 가능한 태양열집열장치에 판재형 히트파이프도 적용가능하다.

본 발명에 사용된 히트파이프는 종래 윅의 구조를 갖는 복잡한 구조의 히트파이프 보다 구조가 간단한 직경이 약 4mm의 모세관으로 이루어지며, 소정의 열매체를 내장한 간단한 단면구조의 새로운 방식의 히트파이프가 적용됨으로써 전달온도가 종래 약 78℃이던 것을 약 95-100℃로 증가시킨 효과를 갖는다.

본 발명은 태양열 혹은 다른 연료를 통하여 얻어진 열을 집열판에 배치된 제 1영역의 히트파이프를 통하여 수관내 제 2영역의 히트파이프를 가열하여 물을 가열하는 새로운 방식의 열교환기를 제공함으로써 종래 수관을 가열하는 방식의 열교환기보다 우수한 열교환 효과를 갖는다.

본 발명은 바닥난방구조가 수관중심으로 배관되는 것이 아니라 히트파이프를 배관하는 방식의 난방용 배관구조를 제공하여 종래 일반적인 수관에 온수를 공급하는 구조에 비하여 온수관의 길이를 극히 짧게하여 누수와 온수부식에 따른 고장율을 낮추게 되며, 특히 히트파이프를 흐르는 매체의 온도유지로 인해 온수순환에 비하여 열효율이 개선되는 효과를 갖는다.

본 발명은 태양열이 집열되는 동안에 소정의 발전이 이루어져 상기 열교환되고 축열된 온수의 소정온도유지가 가능하도록 소정의 열전소자 및 발전소자를 이용한 태양열난방장치를 제공함으로써 종래 온수저장구조에 비하여 온도유지효과가 개선된다.

Claims (6)

1. 열교환기에 있어서,

   수열부재:

   상기 수열부재내의 일측가열면에 내접하여 열을 받는 제 1영역이 위치함과 아울러 제 2영역은 물이 통과하는 영역에 위치하여 수열부재를 통한 열이 제 1영역을 가열함과 동시에 제 2영역에서 물과 열교환이 이루어지게 하는 히트파이프: 및

   상기 수열부재의 내접면에 근접설치되어 외면으로 부터의 고열과 접촉가능하고, 관내에는 소정의 순환장치를 통하여 물이 흐르도록 함과 동시에 상기 히트파이프의 제 2영역을 내설한 수관을 포함하는 열교환기.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 수관은 폐로를 형성하는 히트파이프의 입출구 양단을 인출하기 위한 히트파이프 입구부와 출구부를 형성하는 것을 특징으로 하는 열교환기.
3. 열교환기를 이용한 태양열난방장치에 있어서,

   소정의 발전소자를 구비한 태양열 집열기;

   상기 태양열 집열기를 통하여 가열된 온수를 집수하여 일시 저장하기 위한 온수저장부;

   상기 태양열 집열기에서 얻어진 전력을 이용하여 소정의 열을 발생하여 상기저장된 온수를 소정온도로 가열유지하도록 하기 위하여 상기 온수저장부 저면에 설치된 열전소자; 및

   상기 온수저장부에 연결되어 난방에 필요한 온수가 소정의 온수관과 제어수단을 통하여 순환공급되어 난방이 이루어지게 하는 난방부를 포함하는 열교환기을 이용한 태양열난방장치.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 태양열 집열기는,

   상기 외부케이싱내의 일측가열면에 내접하여 열을 받는 제 1영역이 위치함과 아울러 제 2영역은 상기 수관내에 위치하여 제 1영역의 열이 상기 수관내의 제 2영역으로 전달되어 물과 열교환이 이루어지게 하는 것을 특징으로 하는 열교환기을 이용한 태양열난방장치.
5. 제 3항에 있어서,

   상기 난방부는 제 1영역의 히트파이프가 외부 난방면에 매설되어 난방되며, 제 2영역의 히트파이프는 온수가 공급되는 온수관내에 내설되는 것을 특징으로 하는 열교환기를 이용한 태양열난방장치.
6. 제 3항에 있어서,

   상기 발전부는 전력을 소정시간동안 지속 공급,축전하기 위한 축전지를 더포함하는 태양영집열기를 이용한 태양열난방장치.