KR200356426Y1 - 히트파이프를 이용한 태양열 집열기 - Google Patents

Abstract

본 고안은 흡열판 및 상기 흡열판으로부터 열전달을 받는 열매체 도관을 포함하는 태양열 집열기에 있어서 히트파이프를 이용하여 흡열판으로부터 열매체 도관으로의 열전달 효율을 상승시킬 수 있는 태양열 집열기에 관한 것으로, 상면에 투명덮개가 마련되는 본체프레임 ; 상기 본체프레임의 내측 하부에 마련되는 흡열판 ; 상기 흡열판의 상면과 열접촉하며 상기 흡열판의 상면을 가로지르는 다수의 열매체 도관 ; 상기 다수의 열매체 도관의 일측에 연설되어 상기 본체프레임의 외부로 돌출되며, 열매체가 유입되는 열매체 유입관 ; 상기 다수의 열매체 도관의 타측에 연설되어 상기 본체프레임의 외부로 돌출되며, 열매체가 배출되는 열매체 배출관 ; 상기 흡열판의 상면 전체에 대하여 배치되어 상기 흡열판의 상면과 접하며, 동시에 상기 열매체 도관과 접하는 히트파이프 ; 를 포함하여 이루어지며, 상기 흡열판이 받는 태양열이 상기 히트파이프를 거쳐 상기 열매체 도관으로 전달되도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

Description

히트파이프를 이용한 태양열 집열기{APPARATUS FOR COLLECTING SOLAR HEAT USING HEAT PIPE}

본 고안은 태양열 집열기에 관한 것으로, 구체적으로는 흡열판 및 상기 흡열판으로부터 열전달을 받는 열매체 도관을 포함하는 태양열 집열기에 있어서 히트파이프를 이용하여 흡열판으로부터 열매체 도관으로의 열전달 효율을 상승시킬 수 있는 태양열 집열기에 관한 것이다.

환경친화적인 대체에너지로서 태양에너지의 가치는 그 효용성에 있어서 주목받고 있다. 태양열 에너지는 태양열과 태양광의 이용으로 구분되며, 한때 태양열 에너지의 밀도가 낮은 반면 이를 이용하기 위한 투자비 비율이 놓아 국내에서는 경제성이 없다고 평가되기도 하였지만 이를 극복하기 위한 새로운 기술이 계속 개발중이다.

태양열 집열기는 태양에너지의 열에너지를 모아 열매체에 전달하는 1차 열교환기로서, 평판형, 포물경형, 집광형 등 여러 종류가 있지만 태양열을 이용한 난방 및 급탕용으로는 평판형 집열기가 가장 많이 사용되고 있다.

도 1은 종래의 기술에 의한 태양열 집열기의 부분절개 사시도이다.

본체프레임(1)은 상면에 투명덮개(40)가 마련되어 내부에 마련되는 열매체 도관(10) 등을 외부로부터 격리시키는 한편 투명덮개(40)를 통하여 태양열 에너지를 받아들인다.

본체프레임(1)의 내측 하부에는 흑색으로 도장된 흡열판(20)이 마련된다. 따라서 집열기에 입사된 태양에너지는 투명덮개(40)를 통과한 후 흡열판(20)에 흡수된다.

흡열판(20)의 상면에는 복수의 열매체 도관(10)이 상기 흡열판(20)의 상면과 접하면서 상기 흡열판(20)의 상면을 가로지른다. 따라서 열매체 도관(10)의 열매체는 흡열판(20)에 흡수된 태양에너지를 흡열판(20) 및 열매체 도관(10)의 열전도에 의하여 전달받는다.

한편, 열매체 도관(10)의 일측에는 상기 열매체 도관(10)에 열매체가 유입되기 위한 열매체 유입관(11)이 연설되어 본체프레임(1)의 외측으로 돌출 연장되며, 열매체 도관(10)의 타측에는 상기 열매체 도관(10)의 열매체가 배출되기 위한 열매체 배출관(12)이 연설되어 본체프레임(1)의 외측으로 돌출 연장된다.

또한 본체프레임(1)의 내측의 측면 및/또는 하면에는 보온재(50)가 마련되어 집열기 내부의 열이 외부로 방출되는 것을 방지한다.

열매체 도관(10)의 열매체는 집열기와 집열기 외부에 마련되는 축열조 사이를 순환하며, 축열조 내부에서 열교환을 통하여 축열조 내부에 저장된 난방수 등으로 열전달하여 가용 집열량으로 저장된다. 한편 경우에 따라서는 열매체 도관(10)의 열매체로서 축열조에 저장된 난방수 등이 이용될 수 있다.

상기와 같이 종래의 기술은 열매체가 흐르는 열매체 도관은 흡열판의 열전도에 의해서만 열을 받아 열매체에 열을 전달한다. 따라서 열전달이 발생하는 영역은 열매체 도관과 흡열판의 접촉 부분만 해당되었으므로 집열기에 입사되는 태양열을 효과적으로 이용할 수 없었다.

또한 이러한 문제점으로 인하여 열매체 도관이 흡열판으로부터 받는 열전도량을 높이기 위하여, 열매체 도관의 숫자를 늘려 적정량의 흡열판과 열매체 도관의 열접촉 면적을 확보하여야 하였다.

본 고안은 상기의 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 흡열판에 흡수되는 태양열을 효과적으로 열매체 도관에 전달하기 위하여 흡열판의 상면과 접하면서 배치되는 히트파이프가 열매체 도관에 접하도록 하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 종래의 기술에 의한 태양열 집열기의 부분절개 사시도,

도 2는 본 고안에 의한 일 실시예의 주요부 평면도,

도 3은 도 2의 A-A선의 단면도,

도 4는 진동 세관형 히트파이프의 작동개념도.

< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >

110 : 열매체 도관 111 : 열매체 유입관

112 : 열매체 배출관 120 : 흡열판

130 : 히트파이프

상기의 과제를 해결하기 위하여 본 고안은, 상면에 투명덮개가 마련되는 본체프레임 ; 상기 본체프레임의 내측 하부에 마련되는 흡열판 ; 상기 흡열판의 상면과 열접촉하며 상기 흡열판의 상면을 가로지르는 다수의 열매체 도관 ; 상기 다수의 열매체 도관의 일측에 연설되어 상기 본체프레임의 외부로 돌출되며, 열매체가 유입되는 열매체 유입관 ; 상기 다수의 열매체 도관의 타측에 연설되어 상기 본체프레임의 외부로 돌출되며, 열매체가 배출되는 열매체 배출관 ; 상기 흡열판의 상면 전체에 대하여 배치되어 상기 흡열판의 상면과 접하며, 동시에 상기 열매체 도관과 접하는 히트파이프 ; 를 포함하여 이루어지며, 상기 흡열판이 받는 태양열이 상기 히트파이프를 거쳐 상기 열매체 도관으로 전달되도록 이루어지는 것을 특징으로 한다.

상기에 있어서, 상기 열매체 도관은 양 측부에 오목한 히트파이프 삽입홈이 형성되며, 상기 히트파이프는 상기 히트파이프 삽입홈과 접하면서 사행되는 것이 바람직하다.

상기에 있어서, 상기 히트파이프는 진동 세관형 히트파이프인 것이 바람직하다.

이하 본 고안의 일 실시예에 따라 본 고안의 구성과 작용을 상세히 설명한다.

도 2는 본 고안에 의한 일 실시예의 주요부 평면도이며, 도 3은 도 2의 A-A선의 단면도이다.

도 2는 본체프레임의 내측에 마련되는 흡열판, 열매체 도관, 히트파이프, 열매체 유입관, 열매체 배출관을 도시한 것이다.

상면에 투명덮개가 마련되는 본체프레임은 종래의 기술에 널리 알려져 있으므로 별도로 도시하지 않았다.

흡열판(120)은 본체프레임의 내측 하부에 마련된다. 본 실시예는 흡열판(120)으로서 흑색으로 도장된 동판을 이용하였지만, 본 고안은 이에 한정되지 않는다.

상기 흡열판(120)의 상면에는 복수의 열매체 도관(110)이 배치되어 상기 흡열판(120)의 상면을 가로지른다. 또한 열매체 도관(110)은 상기 흡열판(120)의 상면과 접하도록 배치되어 상기 흡열판(120)의 상면으로부터 열을 전달받는다.

또한 열매체 도관(110)은 양쪽 측부에 오목한 히트파이프 삽입홈(110a)이 형성되어 있다. 상기 히트파이프 삽입홈(110a)은 열매체 도관(110)과 후술하는 히트파이프(130)간의 열전달 면적을 보다 넓게 확보하기 위하여 고안된 것이다.

열매체 도관(110)의 일측에는 열매체 유입관(111)이, 열매체 도관(110)의 타측에는 열매체 배출관(112)이 각각 연설된다.

따라서 열매체는 열매체 유입관(111)을 통하여 유입되어, 열매체 도관(110)을 지나면서 열을 전달받으며, 열매체 배출관(112)을 통하여 배출된다.

히트파이프(130)는 흡열판(120) 전체에 대하여 사행(蛇行)되며, 또한 흡열판(120)의 상면과 접하게 배치되어 흡열판(120)의 전면에 걸쳐 열을 전달받는다.

또한 히트파이프(130)는 흡열판(120)의 상면에서 사행되면서 그 절곡되는 부위는 열매체 도관(110)의 히트파이프 삽입홈(110a)에 삽입되어 히트파이프 삽입홈(110a)과 접하게 된다.

따라서 히트파이프(130)의 외경 면적 중 적어도 절반 이상은 열매체 도관(110)과 접하는 상태를 이루며, 이에 의하여 보다 넓은 열전달 면적을 확보할 수 있다.

한편, 히트파이프(130)와 히트파이프 삽입홈(110a) 사이, 히트파이프(130)와 흡열판(120) 사이에는 열전달면적을 보다 많이 확보하고 충분한 구조적 안정성을 유지하기 위하여 납땜 등의 방법으로 결합시키는 것이 바람직하다.

도 4는 진동 세관형 히트파이프의 작동 개념도이다.

진동 세관형 히트파이프는 윅(wick)에 의한 증발부로의 작동액 환원 없이, 유체의 진동에 의하여 열을 수송하는 열전달 기구로서, 도 4와 같이 세관을 사행(serpentine)시킨 밀폐 구조로서, 세관을 진공 상태로 만든 후 임의의 비율로작동유체를 충전시킨 매우 단순한 구조로 되어 있다.

기본적인 작동은 작동액 및 증기포의 불규칙적인 루프내 순환 또는 축방향 진동에 의한 것이며, 가열부에 주어진 열량 만큼의 핵비등을 일으키고, 핵비등에 의해 발생된 기포는 합쳐진 후 기액 슬러그류(slug flow)의 형태로 된다. 슬러그류는 압력파를 발생시킴과 동시에 축방향 진동을 동반하는 유동으로 되어 순환하고, 증기의 기포가 대류 열전달과 잠열 수송을 하며, 이러한 작동을 위하여는 세관형 튜브의 내경이 충분히 작아야 된다.

일반적으로 히트파이프는 밀폐된 용기내에 작동유체를 주입한 후 진공배기한 것으로 작동유체의 증발과 응축에 의하여 별도의 외부동력없이 열을 전달하는 기구로서, 통상적으로 사용되는 히트파이프의 경우 증발부로부터 응축부로의 기체의 이동은 압력차에 의하여 발생하며, 응축부에서 증발부로의 이동은 용기내에 형성된 다공성 윅을 이용한다.

히트파이프의 특수한 형태로서, 서모사이폰(thermosyphon)은 별도의 윅구조를 가지지 않으면서 중력에 의하여 액체가 증발부로 이동하는 구조이며, 서모사이폰은 반드시 수직의 형태로 설치되어야 한다.

이와 같이 일반적인 히트파이프 내지 서모사이폰과는 달리 진동 세관형 히트파이프는 충분히 작은 내경으로 인한 표면장력과 축방향 진동에 의한 순환운동을 이용하므로 그 길이에 있어서 거의 제한이 없다.

본 실시예의 진동 세관형 히트파이프는 작동유체로서의 R-22(클로로디플루오르메탄)를 동관에 내체적비 30%로 충전하여 사용하였으며, 동관의 외경은 4mm이며,동관의 내경은 2.6mm이다.

진동 세관형 히트파이프와 일반 동의 전도율을 비교하였을 때, 진동 세관형 히트파이프는 일반 동보다 약 2,000배 이상 빠른 것으로 나타난다.

상기의 실시예는 본 고안의 바람직한 실시예에 불과하며 본 고안의 기술적 사상은 당업자에 의하여 다양하게 변형 내지 조정될 수 있다. 이러한 변형 내지 조정이 본 고안의 기술적 사상을 이용한다면 이는 본 고안의 범위에 속하는 것이다.

본 고안은 흡열판에 흡수되는 태양열을 효과적으로 열매체 도관에 전달하기 위하여 흡열판의 상면과 접하면서 배치되는 히트파이프가 열매체 도관에 접하도록 이루어져 열매체에 보다 빠르고 보다 많은 열을 전달할 수 있는 태양열 집열기를 제공할 수 있다.

또한 열매체 도관이 보다 빠르고 보다 많은 양의 열을 전달받음으로써, 열매체의 단위부피당 흡열량을 높일 수 있으므로 종래의 기술에 비하여 보다 적은 숫자의 열매체 도관이 필요하게 된다. 즉, 보다 적은 유량의 열매체로서 종래의 태양열 집열기와 동일한 효과를 달성할 수 있다.

또한 열매체 도관의 숫자가 감소함으로써 열매체 도관으로 인한 유체의 압력손실이 감소하며, 이로 인하여 열매체의 자연순환속도 등이 증가되며, 결과적으로 태양열 집열기의 열회수 효율이 상승하게 된다.

Claims (3)

1. 상면에 투명덮개가 마련되는 본체프레임 ;

   상기 본체프레임의 내측 하부에 마련되는 흡열판 ;

   상기 흡열판의 상면과 열접촉하며 상기 흡열판의 상면을 가로지르는 다수의 열매체 도관 ;

   상기 다수의 열매체 도관의 일측에 연설되어 상기 본체프레임의 외부로 돌출되며, 열매체가 유입되는 열매체 유입관 ;

   상기 다수의 열매체 도관의 타측에 연설되어 상기 본체프레임의 외부로 돌출되며, 열매체가 배출되는 열매체 배출관 ;

   상기 흡열판의 상면 전체에 대하여 배치되어 상기 흡열판의 상면과 접하며, 동시에 상기 열매체 도관과 접하는 히트파이프 ;

   를 포함하여 이루어지며,

   상기 흡열판이 받는 태양열이 상기 히트파이프를 거쳐 상기 열매체 도관으로 전달되도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 태양열 집열기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 열매체 도관은 양 측부에 오목한 히트파이프 삽입홈이 형성되며,

   상기 히트파이프는 상기 히트파이프 삽입홈과 접하면서 사행되는 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 태양열 집열기.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,

   상기 히트파이프는 진동 세관형 히트파이프인 것을 특징으로 하는 히트파이프를 이용한 태양열 집열기.