KR20040089068A - 고리형으로 밀봉장치가 형성된 완전 유리식 ＂ｕ＂자형진공 파이프의 태양열 집열기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 밀봉 장치(3)인 주름관이 형성된 유리식 진공 파이프 2개를 이용하여 태양열을 집열함에 있어 그 내측으로 열전도성이 좋은 금속관을 각각 관통시키고, 각 금속관의 하단부는 단열재(15)로 피복된 신축성 있는 주름관으로 연결하여 "U"자형 유로(11)를 형성하되, 일측 상단은 축열조(7a) 내측의 냉수가 유입되도록 축열조(7a)의 바닥면에 근접하도록 위치시키고, 다른 일측 상단은 축열조(7a)의 바닥면으로부터 멀리 떨어져 축열조(7a) 내에서의 온수가 위치되는 부위에 위치시켜 유리 파이프 내측에 충진된 부동액이 태양열 에너지에 의해 가열되어 축열조에서 유입된 냉수가 가열되어 온수로 변해 축열조로 다시 유입이 될 수 있도록 구성되어진 것을 특징으로 하는 고리형으로 밀봉장치가 형성된 완전 유리식 "U"자형 진공 파이프의 태양열 집열기에 관한 것이다.

Description

고리형으로 밀봉장치가 형성된 완전 유리식 ＂Ｕ＂자형 진공 파이프의 태양열 집열기 {SOLAR HEAT COLLECTORS USING FULL-GLASSED U TYPE VACUUM PIPE WITH ANNULUS SEALING DEVICE}

본 발명은 고리형으로 밀봉장치가 형성된 완전 유리식 "U"자형 진공 파이프의 태양열 집열기에 관한 것으로서, 더 상세하게는 외측 표면으로 일정한 두께로 특수 코팅된 직경이 작은 유리 파이프를 안쪽에 그리고 직경이 큰 파이프를 바깥쪽에 진공으로 격리되면서 그 양단을 접속 밀봉시키고, 안쪽 유리 파이프와 바깥쪽 유리 파이프 간의 상이한 열적 팽창으로 인한 문제점을 바깥쪽 파이프의 일부를 그 외주연을 따라 절개하고 절개된 부분에 특수 설계된 금속재질의 주름관을 결합 장착함으로서 겨울철의 동파 방지는 물론 태양열 이용의 효율성과 적용성을 극대화할 수 있으면서 열적 성능 뿐 아니라 태양열 이용의 편의성 및 경제성을 극대화 할 수 있도록 하는 태양열 집열 장치의 구조에 관한 것이다.

일반적으로 태양열을 이용하기 위한 태양열 집열기는 외형적인 구조와 적용성을 고려하여 크게 두 가지로 평판형과 진공관형 태양열 집열기로 구분된다.

종래에 가장 널리 보급된 평판형 태양열 집열기는 사각형 모양의 평판 형태로 구성된 것으로 도 1에서와 같이 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 외부로 열손실이 많이 발생하여 집열효율이 약 50% 이하로 떨어지는 등 문제점이 있었다.

그리고 진공관형 태양열 집열기(V)는 유리튜브 형상을 하고 있으며 태양열 집열 표면과 접하는 폐쇄된 공간을 진공처리하여 대류에 의한 열손실을 차단시킬 수 있게한 것으로, 도 2의 (a),(b)에서와 같이 하나의 유리튜브를 사용하는 방법과 두 개의 유리튜브를 이중진공관의 형태로 사용하는 방법이 있다.

하나의 유리튜브를 사용하는 방법은 유리튜브(41)의 내부에 집열판(43)이 장착된 히트파이프(42)를 삽입시키고 유리튜브(41)의 상단으로 히트파이프(42)를 돌출 설치시킨 상태에서 금속재질의 마개(44)로 밀폐시키고 그 내부를 진공처리하여 집열판(43) 표면에서 집열된 태양열을 대류에 의한 외부로의 열손실을 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 열매체(액체,물 등)을 채우고 이중관의 상부를 단열마개(47)로 밀봉시켜 집열튜브(46) 내측에 채워진 열매체를 가열시켜 열에너지를 순환시키는 방식으로 외부튜브(45)와 집열튜브(46) 사이를 진공으로 처리하여 공기의 대류에 의한 외부로의 열손실을 차단시켰다.

상기의 방식은 집열기 본체의 제작에는 문제가 없으나 열매체(물)를 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 있다. 또한, 이 방식은 직접 물을 집열튜브(46) 내에서 가열하므로 물의 열용량이 큰 관계로 집열튜브(46)의 크기를 증가시켜 집열면적을 확대시킬 수 없는 설계상의 문제를 가지고 있었다.

상기와 같은 문제점을 보완하기 위하여 근래에는 도 3의(a)(b)경우와 같이 유리제 이중관을 사용하여 태양열을 집열하고 있다.

도 3의 (a)와 (b)의 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),(b)와 같이 구리판(48)을 삽입하는 방식은 시스템 이용의 복잡성과 함께 제작비용의 증가 및 구리판(48)과 "U"자형구리관(42') 또는 히트 파이프(42) 사이의 접촉불량으로 인한 열저항의 증가와 이로 인한 집열효율이 저하되는 문제가 있었다.

본 발명은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 이루어진 것으로, 안쪽 유리 파이프 내부 표면에 부동액이나 다양한 장치(코팅을 형성)를 효율적으로 적용하므로써 겨울철 동파에 관한 염려는 할 필요가 없으며 히이트 파이프의 제작이나 구리판 혹은 "U"형의 구리관을 집열 튜브 내에 삽입·밀착시키는 번거로움을 제거함은 물론 집열 튜브 내의 부동액이 집열 튜브의 가열과 함께 직접적으로 데워지므로 열저항을 극소화할 수 있을 뿐 아니라 열매체인 부동액과 궁극적으로 태양열에너지를 이용 가열하고자 하는 유체(물 등)가 물리적으로 분리되어 있으므로 열쇼크가 발생하지 않으며 설사 집열 튜브가 일부 파손된다 하더라도 시스템 전체에 그 영향이 크게 작용하지 않도록 하여 열저항의 증가와 집열 효율의 저하를 극복할 수 있도록 하는데 그 목적이 있는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해 수직으로 일정한 길이를 갖으면서 중앙에 중공부가 형성되며 일체형으로 연결되면서 일정한 간격으로 격리된 내측면 유리파이프의 외측 표면에 일정한 두께를 갖는 코팅부를 형성하고, 외측면 유리 파이프에는 고리 형상으로 일정한 길이가 절개되고, 상기 절개된 부분에 신축성을 갖는 주름관을 결합 장착하는 것으로 구성되어진 것을 제공함으로써 겨울철의 동파 방지는 물론 태양열 이용의 효율성과 적용성을 극대화할 수 있는 태양열 집열 장치에 관한 것이다.

도 1은 종래 평판형 태양열 집열기의 구조도

도 2의 (a)는 종래 단일 진공관형 태양열 집열기의 구조도

(b)는 종래 이중 진공관형 태양열 집열기의 구조도

도 3의 (a)는 "U"자관을 이용한 이중 진공관형 태양열 집열기의 구조도

(b)는 히트파이프를 이용한 이중 진공관형 태양열 집열기의 구조도

도 4는 본 발명 주름관이 형성된 유리식 진공 파이프를 "U"자형 유로에 결합 상태의 전체 구성도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

(3) : 밀봉장치 (5) : 부동액

(7a) : 축열조 (11) : "U"자형 유로

(15) : 단열재

첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 4는 본 발명 주름관이 형성된 유리식 진공 파이프를 "U"자형 유로에 결합 상태의 전체 구성도이다.

밀봉 장치(3)인 주름관이 형성된 유리식 진공 파이프 2개를 이용하여 태양열을 집열함에 있어 그 내측으로 열전도성이 좋은 금속관을 각각 관통시키고, 각 금속관의 하단부는 단열재(15)로 피복된 신축성 있는 주름관으로 연결하여 "U"자형 유로(11)를 형성하되, 일측 상단은 축열조(7a) 내측의 냉수가 유입되도록 축열조(7a)의 바닥면에 근접하도록 위치시키고, 다른 일측 상단은 축열조(7a)의 바닥면으로부터 멀리 떨어져 축열조(7a) 내에서의 온수가 위치되는 부위에 위치시켜 유리 파이프 내측에 충진된 부동액이 태양열 에너지에 의해 가열되어 축열조에서 유입된 냉수가 가열되어 온수로 변해 축열조로 다시 유입이 될 수 있도록 구성되어진 것

본 발명의 작용은 다음과 같다.

일조시간대에 태양에너지가 집열기에 조사되면 집열기를 구성하는 이중 유리 파이프 중 선택흡수막으로 일정한 두께를 갖도록 검정색의 특수 도색된 코팅부가 형성된 내측면 유리 파이프의 표면이 가열되어 뜨겁게 달궈지며 이로 인하여 내측면 유리 파이프 전체가 가열되게 되는데, 그 결과 내측면 유리 파이프 내부의 빈 공간에 설치된 시설물이나 충진된 열매체가 데워지게 되는 것이다.

상기 코팅은 검정색으로 도색이 되는 것이며 내측면 유리 파이프가 집열 튜브의 역할을 하게 되는 것이다.

상기 시설물이나 충진된 열매체는 부동액인 것이다.

이 때 가열된 내측면 유리 파이프와 일체형으로 연결 형성된 외측면 유리 파이프 사이에 상당한 온도차이가 발생하게 되어도 두 유리 파이프 사이의 빈 공간이 진공 상태로 처리되어 있으므로 두 파이프간의 열적 교류는 미미하게 일어나며 따라서 외부로의 열손실도 현재 널리 보급되고 있는 평판형 태양열 집열기에 비해 50% 이상 감소하게 되는 것이다.

한편 내측면 유리 파이프와 외측면 유리 파이프 사이의 온도차는 두 유리 파이프가 길이 방향으로 열적 팽창을 하는 정도 차이로 인해 내측면 유리 파이프와 외측면 유리 파이프 사이에 열적 스트레스를 유발시킬 수도 있으며 이로 인하여 두 파이프가 접속되는 양단의 연결부위에 균열이 발생할 가능성이 상존하게 되는 것이다.

본 발명은 이를 억제하기 위하여 외측면 유리 파이프의 일부를 그 외주면을따라 고리 형상으로 절개하고 절개된 부분은 특수 설계된 금속재질의 밀봉장치(3)를 외측면 유리 파이프와 일체형이 되게 융착시켜 장착하는 것이다.

상기 밀봉장치(3)는 주름관 형상으로 이루어져 있으며 재질은 금속제 및 수밀이 유지되도록 표면이 코팅된 합성수지인 것이다.

이는 온도 차이에 의한 길이 방향의 열적 팽창이 같아지도록 하는데 그 목적이 있는 것이다.

즉, 외측면 유리 파이프의 일부를 밀봉이 되면서 수축과 팽창이 가능한 금속 및 합성 수지의 재질로 대체하는 효과를 이룸으로써 두 유리 파이프 사이에 온도 차이가 발생하여도 길이 방향으로는 같은 정도로 수축 혹은 팽창하게 하여 내측면 유리 파이프와 외측면 유리파이프 간의 열적 스트레스를 근본적으로 제거하게 되는 것이다.

상기와 같은 구조 및 형상을 갖는 유리 파이프를 축열조에 설치한 실시예를 들어 설명하면 도 7에 도시한 바와 같이 본 발명 밀봉장치(3)인 주름관이 형성된 유리식 진공 파이프 2개를 이용하여 태양열을 집열함에 있어 그 내측으로 열전도성이 좋은 금속관을 각각 관통시키고, 각 금속관의 하단부는 단열재(15)로 피복된 신축성 있는 주름관으로 연결하여 "U"자형 유로(11)를 형성하되, 일측 상단은 축열조(7a) 내측의 냉수가 유입되도록 축열조(7a)의 바닥면에 근접하도록 위치시키고, 다른 일측 상단은 축열조(7a)의 바닥면으로부터 멀리 떨어져 축열조(7a) 내에서의 온수가 위치되는 부위에 위치시켜 유리 파이프 내측에 충진된 부동액이 태양열 에너지에 의해 가열되어 축열조에서 유입된 냉수가 가열되어 온수로 변해 축열조로 다시 유입이 될 수 있게 축열조의 물이 자연스럽게 순환이 되는 것이다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 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 주름관인 밀봉 장치가 융착되어 결합된 완전 유리식 진공 유리 파이프를 이용한 태양열 집열기는 기존의 완전 유리식 진공관형 태양열 집열기에 비해 그 적용성이 상당히 월등하며, 다양한 형태로도 태양열 이용 시스템의 구성이 가능하여 태양열 이용의 효율성과 편리성을 제고 할 수 있는 효과가 있는 발명인 것이다.

Claims (1)

1. 밀봉 장치(3)인 주름관이 형성된 유리식 진공 파이프 2개를 이용하여 태양열을 집열함에 있어 그 내측으로 열전도성이 좋은 금속관을 각각 관통시키고, 각 금속관의 하단부는 단열재(15)로 피복된 신축성 있는 주름관으로 연결하여 "U"자형 유로(11)를 형성하되, 일측 상단은 축열조(7a) 내측의 냉수가 유입되도록 축열조(7a)의 바닥면에 근접하도록 위치시키고, 다른 일측 상단은 축열조(7a)의 바닥면으로부터 멀리 떨어져 축열조(7a) 내에서의 온수가 위치되는 부위에 위치시켜 유리 파이프 내측에 충진된 부동액이 태양열 에너지에 의해 가열되어 축열조에서 유입된 냉수가 가열되어 온수로 변해 축열조로 다시 유입이 될 수 있도록 구성되어진 것을 특징으로 하는 고리형으로 밀봉장치가 형성된 완전 유리식 "U"자형 진공 파이프의 태양열 집열기.