KR20120046403A - 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 설치각도가 어떠한 각도로 설치되더라도 집열판의 경사각도를 설치위치에 맞춰 형성할 수 있어 최상의 조건으로 집열이 가능하고, 그에 따른 집열효율이 높아지며, 건물의 의장적인 측면을 고려해서 집열기를 설치할 수 있으며, 하절기에 과열되는 것을 방지하는 특징이 있다.

Description

히트파이프식 진공관형 태양열 집열기{Heat pipe evacuated solar collector}

본 발명은 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 진공관 집열기의 설치각도가 어떠한 각도로 설치되더라도 집열판의 경사각도를 원하는 각도로 맞춰 형성할 수 있어 최상의 조건으로 집열이 가능하고, 그에 따른 집열효율이 높아지며, 건물의 의장적인 측면을 고려해서 집열기를 설치할 수 있으며, 집열기를 낮은 각도로 설치하더라도 집열판의 각도를 높게 설치하여 하절기에 과열되는 것을 방지하는 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기에 관한 것이다.

일반적으로 태양열을 이용한 집열기는 크게 평판형과 진공관형으로 크게 구분되는데, 이때, 모든 종래의 집열기의 설치각도는 동절기 위주로 집열되는 난방용 시스템인 경우 집열기 각도는 60도 전후가 되어야 동절기 집열을 많게 할 수 있으며, 하절기 위주로 집열되어야 할 시스템은 하절기 집열에 적합한 10도 전후로 설치되어야 한다.

여기서, 상기 평판형 태양열 집열기는 몸체가 사각형상의 평판 형태로 이루어진 것으로, 구리나 알루미늄 등을 이용하여 제작된 얇은 금속판에 태양 광선을 최대한 흡수할 수 있도록 표면을 특수 화공처리한 집열판을 형성하는 한편, 상기 집열판의 일측 표면에 동재질인 다수개의 가는 지관을 일정간격으로 용접시켜서 사각형상의 틀체 내에 삽입시키고 그 상부로 투명덮개를 씌어 일체의 집열기를 형성하게 된다.

이러한 종래의 평판형 태양열 집열기는 태양 광선이 일차적으로 집열판을 가열시키게 되고, 가열된 집열판은 일측에 형성된 지관 내부 열매체에 열에너지를 전달하게 되며, 상기 열교환된 열매체는 집열기의 본관에서 합류되어 축열조나 열교환기에 집열된 열에너지를 제공하도록 형성된다.

한편, 종래의 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기는 유리튜브 형상을 하고 있으며 태양열 집열 표면과 접하는 폐쇄된 공간을 진공 처리하여 대류에 의한 열손실을 차단시킬 수 있게 형성된다.

이때, 상기 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기는 도 1과 도 2에 도시된 바와 같이, 하나의 유리튜브(2)를 사용하는 방법과 2개의 유리튜브를 사용하는 이중 진공관 형태의 방법으로 구분된다.

먼저, 하나의 유리튜브(2)를 사용하는 방법은 유리튜브(2) 내부에 히트파이프(3)가 장착된 집열판(4)을 삽입시키고, 상기 유리튜브(2)의 상단으로 히트파이프(3)를 돌출시킨 상태에서 금속 재질의 마개로 밀폐시키고, 그 내부를 진공 처리함으로써 집열판 표면으로부터 집열된 태양열이 대류에 의해 외부로 손실되는 것을 차단시키게 된다.

이와 같은 형태의 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기(1)는 유리튜브(2)의 상단을 금속재질의 마개로 밀봉시킴에 있어서 유리와 금속의 접합문제로 인하여 상당히 복잡한 공정이 요구되며 이로 인한 내구성 및 경제성의 문제가 발생되고 있다.

또한, 2개의 유리튜브(2)를 이중 진공관의 형태로 사용하는 방법은 외부튜브와 태양열 집열을 위해 특수 표면 처리된 집열튜브 사이공간을 진공으로 처리한 이중관을 형성하고, 상기 집열튜브의 내측으로 물을 채우며 이중관의 상부를 단열마개로 밀봉시켜 집열튜브 내측에 채워진 물을 데우도록 형성됨으로써 태양에너지를 집열하는 방식이다.

여기서, 상기 외부튜브와 집열튜브 사이 공간에는 진공 처리로 인해 공기의 대류에 의한 외부로의 열손실을 차단 시키게 된다.

그런데, 상기 히트파이프(3) 적용 단일진공관형 집열기(1)의 경우 항상 도면 1과 같이, 응축부가 있는 집열기(1)의 헤더부(5) 부분이 상단부에 위치되도록 설치되어야 한다. 따라서 난방용과 같이 하절기 집열을 최소화하고 동절기 집열을 많게 하기 위해서는 집열기(1)의 설치각도를 60도 이상으로 하여야 한다. 이 경우 지붕에 설치할 경우 외관상 문제가 될 수 있을 뿐만 아니라 설치하기도 어렵다.

그리고, 상기 집열기(1)의 설치각도를 60도 이상으로 설치하였다 하더라도 하절기에는 높은 온도의 태양열을 많이 받아 과열되고, 그로 인해 진공관(2) 및 히트파이프(3)가 팽창되어 파손되는 문제점이 발생한다.

본 발명은 상기 종래의 문제점을 해소하기 위해 안출된 것으로서,

진공관 집열기의 설치각도가 어떠한 각도로 설치되더라도 집열판의 경사각도를 원하는 각도로 맞춰 형성할 수 있어 최상의 조건으로 집열이 가능하고, 그에 따른 집열효율이 높아지며, 건물의 의장적인 측면을 고려해서 집열기를 설치할 수 있으며, 집열기를 낮은 각도로 설치하더라도 집열판의 각도를 높게 설치하여 하절기에 과열되는 것을 방지하는 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기를 제공하는데 목적이 있다.

상기 목적을 달성하고자, 본 발명은 태양에너지를 집열하도록 형성되는 집열판과, 상기 집열판에 일체형으로 부착되어 집열판으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부의 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 히트파이프와, 내부에 진공이 형성되도록 상기 집열판 및 히트파이프를 감싸는 진공관과, 상기 진공관을 고정하면서 히트파이프의 응축부가 내부에 구비되어 히트파이프의 열을 전달받아 외부에 전달하는 헤더부를 포함하여 구성되는 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기에 있어서,

상기 진공관은 집열기의 설치위치에 집열기 설치가 용이하도록 수평으로 설치되고, 상기 집열판은 집열기의 설치위치에 따라 설치위치면을 중심하여 소정 경사각(θ)으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기에 관한 것이다.

또한, 본 발명의 히트파이프는 수평설치된 진공관과 집열판에서 내부의 증발된 작동유체가 일측으로 이송되도록 증발부가 응축부보다 낮게 구비되는 경사진 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기에 관한 것이다.

이상에서 살펴 본 바와 같이, 본 발명의 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기는 진공관 집열기의 설치각도가 어떠한 각도로 설치되더라도 집열판의 경사각도를 원하는 각도로 맞춰 형성할 수 있어 최상의 조건으로 집열이 가능하고, 그에 따른 집열효율이 높아지며, 건물의 의장적인 측면을 고려해서 집열기를 설치할 수 있으며, 집열기를 낮은 각도로 설치하더라도 집열판의 각도를 높게 설치하여 하절기에 과열되는 것을 방지하는 효과가 있다.

도 1은 종래의 태양열 집열기를 나타낸 사시도이고,
도 2는 종래의 진공관을 나타낸 개략도이고,
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기를 나타낸 사시도이고,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기를 나타낸 단면도이고,
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 집열기의 설치를 나타낸 개략도이고,
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 진공관을 나타낸 측면 단면도이고,
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 집열기의 설치각도에 따른 월별 흡수판 일사량 변화를 나타낸 그래프도이다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래와 같은 특징을 갖는다.

본 발명은 태양에너지를 집열하도록 형성되는 집열판과, 상기 집열판에 일체형으로 부착되어 집열판으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부의 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 히트파이프와, 내부에 진공이 형성되도록 상기 집열판 및 히트파이프를 감싸는 진공관과, 상기 진공관을 고정하면서 히트파이프의 응축부가 내부에 구비되어 히트파이프의 열을 전달받아 외부에 전달하는 헤더부를 포함하여 구성되는 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기에 있어서,

상기 진공관은 집열기의 설치위치에 집열기 설치가 용이하도록 수평으로 설치되고, 상기 집열판은 집열기의 설치위치에 따라 설치위치면을 중심하여 소정 경사각(θ)으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 한다.

이와 같은 특징을 갖는 본 발명은 그에 따른 바람직한 실시예를 통해 더욱 명확히 설명될 수 있을 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도되지 않는다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기를 나타낸 사시도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기를 나타낸 단면도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 집열기의 설치를 나타낸 개략도이고, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 진공관을 나타낸 측면 단면도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 집열기의 설치각도에 따른 월별 흡수판 일사량 변화를 나타낸 그래프도이다.

도 3 내지 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기(50)는 집열판(10)과, 히트파이프(20)와, 진공관(30)과, 헤더부(40)로 구성된다.

상기 집열판(10)은 도 3과 도 4에 도시한 바와 같이, 태양에너지를 집열하기 위한 것으로서, 태양열을 받아 히트파이프(20) 내의 작동유체를 가열?증발시키기 위한 열을 모으고, 상기 집열판(10)은 히트파이프(20)의 외주면에 초음파 용접 등으로 부착되며, 상기 집열판(10)의 그 단면 형상은 평판이거나 집열 면적을 증가시키기 위하여 굴곡진 형태 등 다양한 형태로 형성된다.

여기서, 상기 집열판(10)은 진공관(30)의 내부에 설치되고, 상기 진공관(30)은 집열기(50)의 설치위치 즉, 경사가 완만한 지붕 또는 수직 벽면 등에 따라 집열기(50)의 설치가 용이하도록 수평으로 설치되며, 상기 진공관(30)은 수평 이외에 수직으로도 설치가 가능하다. 이렇게 집열기(50)의 설치위치에 따라 설치된 진공관(30)의 집열판(10)은 도 6에서처럼 설치위치 면을 중심하여 60 ~ 90도의 경사각(θ)으로 경사지게 형성된다.

그 이유는 상기 진공관(30)이 설치위치의 일단면에 맞춰 설치됨으로써, 종래에는 그런 진공관(30)에 설치된 집열판(10) 또한 설치위치의 일단면과 평행을 이루고, 그로 인해 태양열의 열을 흡수하는데 부족하다. 즉, 일예로 상기 집열기(50)가 수직벽면에 설치되면 수직으로 설치되고, 그에 따라 집열판(10)도 수직으로 설치된다. 그렇게 되면 태양열의 열 흡수가 부족하게 되는데, 본 발명은 이런 상태로 설치된 집열기(50)에서 태양열의 열 흡수량을 높이기 위해 집열판(10)을 진공관(30) 내에서 집열기(50)와 수직의 형태로 형성하거나 태양열의 열을 제일 많이 흡수할 수 있는 최적의 각도로 경사지게 형성하는 것이다.

여기서, 상기 수직벽면에 대해서만 설명한 것이지 경사가 심하거나 완만한 경사벽면에 설치시에도 집열판(10)을 최적의 각도로 경사지게 형성하여 설치할 수 있다. 이런 상기 집열판(10)은 공장에서 집열기(50)의 설치위치에 따라 진공관(30) 내에 최적의 각도로 일체형 제작하여 현장에서 바로 설치가 가능하다.

상기 히트파이프(20)는 도 4에 도시한 바와 같이, 작동유체가 내부에 구비되어 열이 전달되면 증발되고, 증발된 작동유체는 히트파이프(20)의 길이방향으로 이송된 뒤, 일측에서 열을 발산하면서 응축되는 방식으로, 상기 히트파이프(20)는 내부의 작동유체가 증발되는 증발부(미도시)와, 상기 증발부를 통해 증발된 작동유체가 응축되는 응축부(미도시)로 이루어지는 일반적인 히트파이프(20)의 구조이다. 이때, 상기 히트파이프(20)의 응축부는 헤더부(40)의 내부에 구비된다.

여기서, 상기 히트파이프(20)는 집열판(10)을 통해 집열된 태양에너지의 열이 내부의 작동유체로 흡수될 수 있도록 하며, 이를 위해 상기 집열판(10)과 열전달 가능하게 접합된다. 실일예로서, 상기 히트파이프(20)와 집열판(10)은 초음파 용접에 의해 접합될 수 있는데, 이때, 상기 히트파이프(20)와 집열판(10)의 상호 접합된 면적이 넓을수록 열전달 효율이 증대되고, 상기 집열판(10)의 접합면적을 넓히게 되어 연전달 효율이 높아지며, 상기 히트파이프(20)와 집열판(10)이 더욱 견고하게 결합할 수 있도록 한다.

그리고, 상기 히트파이프(20)는 집열판(10)에 일체형으로 형성되는데, 이때, 상기 진공관(30)과 집열판(10)이 수평으로 설치됨으로써, 종래에는 히트파이프(20)도 수평으로 설치되고, 그로 인해 히트파이프(20)에 수두구배 차가 없어 집열판(10)의 열에 의해 증발된 작동유체가 제대로 순환(증발부와 응축부간에)되지 않아 태양열이 집열되지 않으며, 또한 과열이 발생하고, 그로 인해 히트파이프(20) 내의 열매체 특성이 변하거나 가 파손될 수 있다.

이런 문제점을 해소하기 위해 본 발명의 히트파이프(20)는 상기 집열판(10)에 동일수평선상에서 증발부가 응축부보다 낮도록 경사진 형태로 형성된다. 즉, 상기 히트파이프(20) 내의 증발된 작동유체가 일측(응축부)으로 이송되도록 헤더부(40) 측의 히트파이프(20) 끝단부가 진공관(30) 측의 히트파이프(20) 끝단부보다 높게 설치되는 것이다.

이때, 상기 집열판(10)이 수평으로 설치됨으로써 아무리 히트파이프(20)를 경사지게 설치되어도 수두구배 차가 발생하지 않지만, 본 발명에서는 상기 수평상태의 집열판(10)이 60 ~ 90도의 경사각(θ)으로 경사지게 형성됨으로써, 히트파이프(20)의 수두구배차가 형성될 수 있다.

또한, 상기 히트파이프(20)의 응축부는 히트파이프(20)의 경사각을 높이기 위해 헤더부(40) 내에서 소정각도로 절곡되어 더 경사지게 형성한다.

상기 진공관(30)은 도 3 내지 도 6에 도시한 바와 같이, 집열판(10)과 히트파이프(20)의 외측을 감싸는데, 이때, 상기 히트파이프(20)의 일측이 일정길이 돌출될 수 있도록 한다.

여기서, 상기 진공관(30)은 상기 집열판(10)과 히트파이프(20)가 수용된 공간에 진공이 형성될 수 있도록 접합부재(미도시)를 매개로 상기 히트파이프(20)와 접합되는 동시에 진공관(30)의 끝단부가 헤더부(40)의 일단면에 고정 설치된다. 이때, 상기 헤더부(40)의 길이방향으로 다수개의 진공관(30)이 직각으로 설치된다.

그리고, 상기 접합부재로서는 상기 진공관(30)과 히트파이프(20)의 접합부위에 틈새를 방지할 수 있는 것이면 충분하며, 고분자 화합물, 실리콘 등의 고밀폐성을 갖는 재질의 부재가 선택되어 사용될 수 있다.

상기 헤더부(40)는 도 3에 도시한 바와 같이, 진공관(30)의 끝단부를 고정하면서 히트파이프(20)의 응축부가 내부에 구비되어 히트파이프(20)의 열을 전달받아 외부에 전달하는 장치이다.

여기서, 상기 헤더부(40)는 축열조(미도시)와 같은 열 사용처와 관에 의해 직접적으로 연결되고, 상기 헤더부(40)에서 히트파이프(20)와 열교환된 열원이 축열조와 같은 열 사용처에 전달되며, 상기 축열조와 같은 열 사용처로부터 열 사용이 끝나 상대적으로 온도가 저하된 냉수가 다시 헤더부(40)에 전달된다. 이런, 상기 헤더부(40)는 일반적으로 통용되는 구조와 원리로써, 별도의 기술 설명은 더 이상 하지 않는다.

10 : 집열판 20 : 히트파이프
30 : 진공관 40 : 헤더부
50 : 집열기

Claims (5)

1. 태양에너지를 집열하도록 형성되는 집열판(10)과, 상기 집열판(10)에 일체형으로 부착되어 집열판(10)으로부터 집열된 태양에너지의 열이 내부의 작동유체로 흡수되어 열을 전달하는 히트파이프(20)와, 내부에 진공이 형성되도록 상기 집열판(10) 및 히트파이프(20)를 감싸는 진공관(30)과, 상기 진공관(30)을 고정하면서 히트파이프(20)의 응축부가 내부에 구비되어 히트파이프(20)의 열을 전달받아 외부에 전달하는 헤더부(40)를 포함하여 구성되는 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기(50)에 있어서,
   상기 진공관(30)은 집열기(50)의 설치위치에 집열기(50)의 설치가 용이하도록 수평으로 설치되고, 상기 집열판(10)은 집열기(50)의 설치위치에 따라 설치위치 면을 중심하여 소정 경사각(θ)으로 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 히트파이프(20)는 수평설치된 진공관(30)과 집열판(10)에서 내부의 증발된 작동유체가 일측으로 이송되도록 증발부가 응축부보다 낮게 구비되는 경사진 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 히트파이프(20)의 응축부는 히트파이프(20)의 경사각을 높이기 위해 헤더부(40) 내에서 소정각도로 절곡되어 경사지게 형성되는 것을 특징으로 하는 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 집열판(10)의 경사각(θ)은 집열기(50)의 설치위치를 따르기 때문에 60 ~ 90도로 형성되는 것을 특징으로 하는 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 헤더부(40)는 진공관(30)이 수평으로 설치됨으로써, 진공관(30)의 측면에 구비되는 것을 특징으로 하는 히트파이프식 진공관형 태양열 집열기.

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