KR200235578Y1 - 태양열온수기의온수순환장치 - Google Patents

Abstract

목적 : 본 고안은 일조량에 따라 유로 내의 온수 순환량이 조절되게 하여 열효율을 극대화할 수 있도록 한 태양열 온수기의 온수순환장치에 관한 것이다.

구성 : 태양열로 물을 가열하는 집열기와, 상기 집열기에서 가열된 물을 저장하는 축열조 사이의 순환라인 중에 물 또는 열매체를 순환시켜 주는 순환펌프가 마련되어 있는 태양열 온수기에 있어서, 상기 순환펌프(100)가 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)의 각 자극(P1∼Pn)이 기판(224)의 저면으로 표출되도록 비등간격의 환상으로 관통 배열되어 있는 구동 유니트(220)와, 상기 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)의 자극(P1∼Pn)에 대향하는 면으로 다수의 자극이 환상으로 등분 착자된 퍼머넌트 마그네트(244)를 보유하고 그 하측에는 임펠러(242)가 방사상으로 배열되어 있음과 아울러 상기 구동 유니트(220)에 격판(246)을 개재하여 일체로 조립되는 펌프 유니트(240), 그리고 배분신호를 출력하는 디스트리뷰터(DI)의 출력단에 게이트측이 접속되어서 태양전지(200)의 전원을 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)으로 순차 스위칭시켜 착자되게 하는 다수의 트랜지스터(TR1∼TRn)를 포함하는 제어회로부(222)를 갖춘 구성이다.

효과 : 본 고안은 집열판의 가열 열량에 대응하는 크기로 발생된 태양전지의 기전력에 의해서 순환펌프의 토출량을 가변적으로 조절하는 것이어서 일조량에 따라 자동적으로 온수 순환량을 조절하게 되므로 열효율을 극대화할 수 있다.

[색인어]

태양열 집열기, 태양열 온수 발생기

Description

태양열 온수기의 온수 순환장치{a circulator for solar collecting system}

본 고안은 태양열 온수기의 온수 순환장치에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 일조량에 따라 유로 내의 온수 순환량이 조절되게 하여 열효율을 극대화할 수 있도록 한 온수순환장치에 관한 것이다.

장래에 부족하게 될 에너지원에 대한 문제 해결의 일환으로 자연 에너지의 유효 활용에 대한 기대가 증대되고 있는 최근, 태양의 에너지를 열에너지나 전기에너지로 변환하여 활용하는 기술이 주목받고 있다.

특히, 태양 에너지에서 얻은 열을 이용하는 장치로서 태양열 온수기가 잘 알려져 있다.

태양열 온수기는 직접적으로 온수를 제공할 뿐 아니라 실내 난방을 행하는 가정용 보일러나 방열기, 경작물 재배용 하우스 내의 항온시설 등의 분야에서 활용되고 있다.

통상적인 태양열 온수기는 태양 광선에 포함된 에너지를 집열기를 통해서 열에너지로 변환하여 물을 가열하고, 이렇게 가열된 온수를 축열조에 저장시켜 필요한 용도에 활용할 수 있도록 한 장치로서, 집열기를 이루는 집열판에 물을 직접 순환시켜서 가열하는 방식과, 상기 집열판에 물보다 열전도율이 더 큰 열매체를 수용시켜서 이 열매체의 열교환에 의해서 물을 가열시키는 방식이 있다.

이와같이 열매체를 이용하여 온수를 가열하고, 축열조 및 파이프 내의 온수를 적절히 순환시켜 에너지의 이용 효율을 높인 기술이 대한민국 실용신안 공고 제 94-6715 호에 개시되어 있다.

이것은 도 1 에 도시된 바와같이, 집열기(22)와 축열조(24) 사이에 순환펌프(26)를 설치하고 집열기 내부 열매체관의 유로상(28)에 축열조와 배관으로 연결된 열교환기(32)를 설치한 것에 있어서, 상기 집열기측과 축열조측에 각각 온도센서(S1)(S2)를 설치하고 각 온도센서의 감지 신호에 따라 구동하는 제어부(32)에 순환펌프(26)를 전기적으로 연결하여 제어부(32)에 의해 순환펌프의 작동이 제어될 수 있게 구성한 것이어서, 집열기측 온도센서(S1)에서 감지된 온도가 축열조측에 설치된 온도센서(S2)에 감지된 온도보다 높으면 제어부(32)가 순화펌프(26)를 구동시켜 축열조(24)내의 물을 집열기(22)측으로 보내게 되고, 반대의 경우에는 순환펌프(26)의 작동을 정지시키게 된다.

이와같이 종래의 태양열 온수기에는 집열기(22)에서 가열된 온수를 순환시키기 위해서 전술한 바와같이 복수개의 온도센서(S1,S2)와, 이의 센싱신호를 처리하는 제어부(32)가 구비되어야 한다.

또한, 상기 순환펌프(26)에 교류전원으로 구동되는 것을 사용할 경우에는 상용 교류전원을 연결하는 배선작업 및 안전장치를 설치하여야 하므로 옥외용에 적합하지 않아서 대부분이 직류전원으로 구동되는 것이 사용되고 있는데, 이러한 직류구동형의 경우에는 태양 에너지를 전기 에너지로 변환하는 태양전지(SOLAR CELL; 34)과, 여기에서 발생한 전기를 축적하는 축전지(36)가 별도로 필요하다.

이와같이 종래의 태양열 온수기는 많은 부품들로 구성되기 때문에 제조 코스트가 상승하는 것은 물론이고 제조상의 작업 공수가 많게 되는 문제점을 가지고 있다.

한편, 상기 순환펌프(26)의 토출량을 가변시키기 위해서는 스테핑모터나 서보모터를 사용하여야 하는데, 이들은 모터콘트롤부를 필요로 하기 때문에 제품구성을 복잡하게 하며 제품 코스트를 상승시키게 되고, 그 동작 또한 펌핑모터에는 적합하지 않기 때문에, 온수기용 순환펌프에는 적용되지 않고 있다.

이와같이 종래에는 대부분의 순환펌프(26)가 토출량을 가변시킬 수 없는 것이 사용되었는데, 이로 인해서 물이 서서히 가열되는 일사량이 적은 시간대에도 일사량이 많은 시간과 동일하게 다량의 물을 축열조로 압송하므로 결국은 가열되지 않은 물까지도 축열조로 보내져 열손실을 발생시키게 되고, 또한 상기 순환펌프의 초기 가동시에 급작스런 토출량에 의해서 유로를 이루는 관의 연결부 등 취약 부위에 충격(hammering)을 주게 되어 제품수명을 단축시키게 되는 문제점이 있었다.

종래 기술에서 설명된 제반의 문제점을 해결하기 위해서 안출된 본 고안은 일조량에 따라 순환펌프의 토출량이 가변적으로 제어되게 함으로써 유로 내의 온수 순환량을 조절하여 열 효율을 극대화할 수 있도록 한 태양열 온수기의 온수 순환장치를 제공함에 그 목적을 두고 있다.

전술한 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 태양열로 물을 가열하는 집열기와, 상기 집열기에서 가열된 물을 저장하는 축열조의 사이의 순환라인 중에 물 또는 열매체를 순환시켜 주는 순환펌프가 마련되어 있는 태양열 온수기에 있어서, 상기 순환펌프가 일렉트로 마그네트군의 각 자극이 기판의 저면으로 표출되도록 비등간격의 환상으로 관통 배열되어 있는 구동 유니트와, 상기 일렉트로 마그네트군의 자극에 대향하는 면으로 다수의 자극이 환상으로 등분 착자된 퍼머넌트 마그네트를 보유하고 그 하측에는 임펠러가 방사상으로 배열되어 있음과 아울러 상기 구동 유니트에 격판을 개재하여 일체로 조립되는 펌프 유니트, 그리고 배분신호를 출력하는 디스트리뷰터의 출력단에 게이트측이 접속되어서 태양전지의 전원을 일렉트로 마그네트군으로 순차 스위칭시켜 착자되게 하는 다수의 트랜지스터를 포함하는 제어회로부를 갖춘 구성으로 된다.

이러한 구성에서, 상기 제어회로부의 트랜지스터와 상기 구동 유니트의 일렉트로 마그네트군 사이는 우수번째만을 접속시켜 구동 전압을 극도로 낮게 설정할 수 있다.

이와 같이 본 고안은 태양전지에 직결하여서 일조량에 의한 태양전지의 가변된 기전력에 따라서 물의 토출량이 가변되도록 구성된 것이다.

도 1 은 종래의 태양열 온수기의 구성도

도 2 는 본 고안이 적용된 태양열 온수기의 구성도

도 3 및 도 4 는 본 고안을 구현하는 순환펌프의 구조단면도 및 분해사시도

도 5 는 본 고안을 구현하는 순환펌프의 극성배치 상태도

도 6 은 본 고안의 실시예에 의한 전기적 구성을 보인 회로도

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *

22-집열기 24-축열조

28-열매체 유로 32-열교환기

100-순환펌프 200-태양전지

220-구동 유니트 222-제어회로부

224-기판 240-펌프 유니트

242-임펠러 244-퍼머넌트 마그네트

246-격판 MG1∼MGn-일렉트로 마그네트

P1∼Pn-자극

이하, 본 고안을 실현하기 위한 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 참고로, 종래 기술과 동일한 부분에 대하여는 설명의 명료성을 위해 동일부호를 부여하기로 한다.

도 2 는 본 고안이 적용된 태양열 온수기의 구성도로서, 여기에서 보여주는 태양열 온수기는 집열기(22)와 축열조(24) 사이에 순환펌프(100)가 설치되고, 집열기 내부 열매체관의 유로상(28)에 축열조(24)와 배관으로 연결된 열교환기(32)가 설치되어 가열된 열매체의 열교환에 의해서 배관 내의 물을 가열하여 축열조(24)로 보내도록 되어 있다. 이때, 종래 기술에서 설명한 바와같이 상기 열매체 대신에 물을 직접 순환시켜 가열하는 방식이 적용될 수도 있다.

상기 집열기(22)의 일측에는 통상의 태양전지(200)가 비치되어서 태양간에 의해 전기를 일으키게 되어 있으며, 이 태양전지(200)를 통해 얻어진 기전력은 상기 순환펌프(100)에 직결되어서 이를 구동시키게 되어 있다.

순환펌프(100)는 낮은 기전력에도 가동되어야만 일조량이 낮은 흐린 날씨에서도 동작할 수 있다.

본 고안은 이러한 조건을 만족시키기 위하여 면마찰이 적고 소비전력이 작은 마그네트 펌프를 채용하고 있다.

도 3은 상기 마그네트 펌프의 구조를 도시하고 잇으며, 이것은 구동 유니트(220)와, 펌프 유니트(240)로 구분되고, 각각 체결수단(262)에 의해 하나로 결합된 구조로 되어 있다.

그리고 상기 구동 유니트(220)와 펌프 유니트(240) 사이의 경계에는 후술하는 제어회로부와 함께, 특히 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)을 갖춘 기판(224)이 장착되어 있다.

상기 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)은 도 4에 도시한 바와 같이 각각의 자극(P1∼Pn)이 기판(224)을 관통하여 저면으로 표출되도록 둥글게 환상으로, 또한 비등분 간격을 이루게 배열되어서 그 종단을 통해 자계를 일으킬 수 있게 되어 있다.

한편, 상기 펌프 유니트(240)는 방사상으로 배열되는 임펠러(242), 그리고 상기 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)에 대향하는 면이 대응하는 환상 형태로 착자된 다수의 자극으로 이루어진 퍼머넌트 마그네트(244)를 동축상으로 일체 연결한 구성으로 되어 있고, 이것은 상기 펌프 유니트(240)의 내부로 수용되는 격판(246)에 의해 회전 가능하게 지지되는 것이다.

상기 격판(246)은 퍼머넌트 마그네트(244)를 회전가능하게 지지함과 동시에 구동 유니트(220)로 열매체 또는 물이 침투하지 않도록 기밀을 유지시켜 주는 역할을 겸하고 있다.

도 5 는 상기 퍼머넌트 마그네트(244)의 극성 배치 상태도로서, 상기 퍼머넌트 마그네트(244)는 환상의 코어를 그 축방향에 직교하는 면으로 8극을 등분 착자시켜 놓은 것이다. 이렇게 등간격으로 형성되는 8극을 갖춘 퍼머넌트 마그네트(244)는 전술한 바와 같이 비등분으로 배치된 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)의 각 자극(P1∼Pn)과 대향하게 되지만 그 중의 몇 개는 서로 어긋난 오프셋 배치 관계를 이루게 된다.

이와같이 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)의 자극(P1∼Pn)과 퍼머넌크 마그네트(244)의 8극 사이로 존재하게 되는 오프셋 배치로 말미암아 상기 펌프유니트(240)의 임펠러(242)는 퍼머넌트 마그네트(244)에 연동하여 항상 한 방향으로만 회전된다.

또한, 퍼머넌트 마그네트(244)가 회전하게 될 때는 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)에서 대응하는 자극의 자계가 동일 극성으로 되는 부분에서 반발력을 가지므로 일정 간격 부상한 상태로 회전하게 된다.

물론, 상기 임펠러(242)의 회전은 펌핑작용으로 이어져 물 또는 열매체가 순환하게 되는 것이다.

이와 같이 자기력으로 부상한 채 임펠러(242)가 회전되게 하면, 그 구동 중에 마찰력에 의한 손실이 없어져서 낮은 전압으로도 무소음 회전이 가능하고, 그 회전 속도는 일조량에 따라 변화된다.

상기 순환펌프(100)는 자기부상 방식으로 구동되는 마그네트 펌프가 사용됨에 따라 구동시의 마찰이 적어 낮은 전압에서도 무소음 작동되고, 게다가 과부하나 과전류에 대한 내력이 커서 장기간동안 사용할 수 있는 장점을 갖고 있는 것이므로 사용 수명 또한 길다.

한편, 상기 일렉트로 마그네트(MG1∼MGn)의 순차 구동은 도 6 에 상세히 도시된 제어회로부(222)와의 전기적 연결에 의해서 구현될 수 있다.

상기 제어회로부(222)는 배분신호를 출력하는 디스트리뷰터(DI)와, 상기 디스트리뷰터(DI)의 출력단에 게이트측이 접속되어 인가되는 신호에 따라 태양전지(200)로부터 공급되는 전원을 일렉트로 마그네트(MG1∼MGn)으로 순차 스위칭시켜 주는 다수의 트랜지스터(TR1∼TRn)로 구성되어 있다.

상기 트랜지스터(TR1∼TRn)에 의한 스위칭으로 상기 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)은 순차 착자 구동된다.

이때, 상기 일렉트로 마그네트(MG1∼MGn)의 각각에서 발생되는 자장의 세기는 코일의 권선수와 그 코일에 흐르는 전류치의 곱으로 나타나게 된다.

따라서, 트랜지스터(TR1∼TRn)를 통해 스위칭되는 펄스 전압을 다르게 하면 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)으로 인가되는 전압의 변화도 가능하게 되어 결과적으로 상기 일렉트로 마그네트(MG1∼MGn)에서 발생되는 자장의 세기까지 변환될 수 있다. 이것은 상기 태양전지(200)에서 발생되는 기전력에 따라 순환펌프(100)의 토출량이 스스로 변화되는 것을 의미한다. 즉, 일조량이 많으면 임펠러(242)의 회전전속도가 빠르게 되어 순환펌프(10)의 토출량이 증가하므로 집열기(22)에서 가온된 물 또는 열매체는 빠른 시간 내에 순환되고, 반대로 일조량이 적으면 상기 순환이 지연되어 버리므로 집열기(22)의 물 또는 열매체는 충분히 가온되었을 때에만 순환하게 되는 결과로 된다.

이와 같이 태양전지(200)를 통한 기전력이 작은 경우에도 상기 순환펌프(100)가 동작되게 하려면 그 소비전력이 낮아야 하며, 이를 위하여 본 고안에서는 상기 제어회로부(222)를 이루는 트랜지스터(TR1∼TRn)와 상기 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn) 사이를 선택적으로 연결시키고 있다.

즉, 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)과 트랜지스터(TR1∼TRn)를 접속함에 있어서 기수번째의 접속은 생략하고 우수번째만을 접속하는 방식으로 소비전력을 줄일 수 있는 것이다.

상기 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)의 자극(P1∼Pn)과 상기 퍼머넌트 마그네트(244)의 자극의 사이에 작용하는 자기력의 세기는 다음의 수학식 1로 나타낼 수 있다.

(여기에서, F는 자기력의 세기, M₁,M₂는 대응하는 두 자극의 세기, R²는 두 자극 사이의 거리)

상기 식은 일렉트로 마그네트(MG1∼MGn)와 퍼머넌트 마그네트(244)의 자극간 거리 및 격판(246)의 투자율 등을 감안하여 순환펌프(100)를 설계할 때 적용된다.

이상의 설명을 통해 알 수 있는 바와 같이 본 고안은 집열판을 통한 물 또는 열매체의 가온에 대응하여 기전력을 발생하게 되는 태양전지로 순환펌프의 작동을 조절하는 것이어서 일조량에 따라 자동적으로 온수 순환량이 조절되게 한 것이며, 또한 순환펌프는 작동 중에 마찰을 일으키는 부분이 없어 저전력으로 무소음 구동되고 구성이 간단하여 저렴하게 제공할 수 있는 이점을 가지고 있다.

Claims (2)

1. 태양열로 물을 가열하는 집열기와, 상기 집열기에서 가열된 물을 저장하는 축열조 사이의 순환라인 중에 물 또는 열매체를 순환시켜 주는 순환펌프가 마련되어 있는 태양열 온수기에 있어서,

   상기 순환펌프(100)가 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)의 각 자극(P1∼Pn)이 기판(224)의 저면으로 표출되도록 비등간격의 환상으로 관통 배열되어 있는 구동 유니트(220)와, 상기 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)의 자극(P1∼Pn)에 대향하는 면으로 다수의 자극이 환상으로 등분 착자된 퍼머넌트 마그네트(244)를 보유하고 그 하측에는 임펠러(242)가 방사상으로 배열되어 있음과 아울러 상기 구동 유니트(220)에 격판(246)을 개재하여 일체로 조립되는 펌프 유니트(240), 그리고 배분신호를 출력하는 디스트리뷰터(DI)의 출력단에 게이트측이 접속되어서 태양전지(200)의 전원을 일렉트로 마그네트군(MG1∼MGn)으로 순차 스위칭시켜 착자되게 하는 다수의 트랜지스터(TR1∼TRn)를 포함하는 제어회로부(222)를 갖춘 구성으로 되어 있음을 특징으로 하는 태양열 온수기의 온수 순환장치.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 제어회로부(222)의트랜지스터(TR1∼TRn)와 상기 구동 유니트(220)의 일렉트로 마그네트(MG1∼MGn) 사이가 우수번째만이 접속된 구성으로 되어 있음을 특징으로 하는 태양열 온수기의 온수 순환장치.