KR20130006402U

KR20130006402U - 개선된 태양열 흡수체

Info

Publication number: KR20130006402U
Application number: KR2020130003045U
Authority: KR
Inventors: 브래들리 이 레이스; 로버트 앤더슨 3세 레이놀즈; 지 엠 파즐리 엘라히; 그레고리 피 크래머; 마크 폴록
Original assignee: 그라프텍 인터내셔널 홀딩스 인코포레이티드
Priority date: 2012-04-20
Filing date: 2013-04-19
Publication date: 2013-11-05
Also published as: JP3184471U; CN203771748U; US20130276777A1; DE202013003733U1

Abstract

태양열 흡수체 시스템은 태양 방사를 수용하여 열에너지로 전환하는 태양열 흡수층을 포함한다. 태양열 흡수체 조립체는 흡수된 에너지를 포획과 저장을 위한 유체 도관으로 더 효율적으로 이동시키기 위해 이방성 물질을 포함한다.

Description

개선된 태양열 흡수체 {IMPROVED SOLAR ABSORBER}

태양 복사 에너지는 적외선 파장부터 자외선 파장까지의 전자기복사 형태이며, 최적 조건에서 거의 평균 1,000 watts/m²이 될 수 있다. 태양열 흡수체 또는 수집기는 태양 복사 에너지를 이용가능한 또는 저장가능한 형태로 변환하고, 특히, 복사에너지를 열에너지로 변환하는 장치이다.

태양열 흡수체 또는 수집기는 여러 가지 용도로 이용될 수 있다. 예컨대, 흡수체는 보충적인 실내 또는 물 난방을 위해 주거 및 상업용 건물에서 이용될 수 있다.

본 발명은 종래기술에 비해 개선된 태양열 흡수체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 개시내용의 일 태양에 따르면, 열 흡수 조립체는 태양 복사를 흡수하기에 적합한 주 상단 표면과, 상기 주 상단 표면과 대향하는 주 하단 표면을 갖는 태양열 흡수체층을 포함한다. 도관은 주 하단 표면에 인접하여, 이를 통해 유체를 수용하도록 위치된다. 열 스프레더(spreader)는 태양열 흡수체층의 주 하단 표면의 적어도 일부와 접촉한다. 도관은 태양광 흡수체층과 열 스프레더 사이에 위치된다. 열 스프레더는 적어도 약 250 W/mK의 수평 열전도도(in-plane thermal conductivity)를 갖는 열적으로 이방성 물질이다.

본 개시내용의 다른 태양에 따르면, 열 흡수 조립체는 태양 복사를 흡수하기에 적합한 주 상단 표면과, 상기 주 상단 표면과 대향하는 주 하단 표면을 갖는 태양열 흡수체층을 포함한다. 도관은 이를 통해 유체를 수용하기 위해 주 하단 표면과 접촉한다. 흡수체는 적어도 약 250 W/mK의 수평 열전도도를 갖는 열적으로 이방성 물질이다.

본 발명은 종래기술에 비해 개선된 태양열 흡수체를 제공할 수 있다.

도 1은 태양열 흡수체 시스템의 개략도이다.
도 2는 복수의 칼럼을 포함하는 태양열 흡수체의 평면도이다.
도 3은 도 2의 A-A를 따라 취한 단면도이다.
도 4는 도 2의 A-A를 따라 취한 다른 단면도이다.
도 5는 도 2의 A-A를 따라 취한 제2의 다른 단면도이다.

도 1을 참조하면, 태양열 흡수체 시스템이 도시되고, 도면부호 10으로 대체로 표시된다. 일반적으로, 시스템(10)은 태양열 흡수체(12)를 포함하며, 태양열 흡수체(12)는 복사 에너지를 태양으로부터 흡수하고, 그 에너지를 열에너지로 변환하며, 그 열에너지를 작동 유체에 전달한다. 작동 유체는 열 교환기(14)로 유도되고, 여기서 열에너지는 열 또는 에너지 저장 유닛(16)으로 전달된다. 열 교환기를 통한 이동 이후에, 작동 유체는 이어서 흡수체(12)로 재순환될 수 있다. 유닛(16)은 예컨대, 주거 또는 상업의 온수 가열기 또는 주거 또는 상업의 실내 또는 마루 난방 시스템일 수 있다.

위 시스템(10)은 폐회로(즉, 작동 유체가 열 흡수체를 통해 연속해서 다시 재사용)이지만, 개회로 시스템이 특히, 온수기 용도에서 또한 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 개회로 구성의 일 실시예에서, 열 교환기는 제거되며, 물은 열 흡수체를 통해 배출되고, 최종 이용을 위해 곧장 물 저장 탱크로 수송된다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 예시적인 열 흡수체(12)가 자세히 도시된다. 열 흡수체(12)는 작동 유체의 수용과 출력을 위한 입력 도관(18)과 출력 도관(20)을 포함한다. 복수의 칼럼 조립체(22)는 입력 도관(18)과 출력 도관(20)을 서로 연결한다. 칼럼(22)은 태양 광선을 수용하고 흡수하고, 그 안에 흐르는 작동 유체에 열에너지를 전달한다. 이러한 방식에서, 출력 도관(20)을 떠나는 작동 유체의 온도는 입력 도관(18)을 통해 유입하는 작동 유체의 온도에 비해 상승한다.

도 2에 도시된 구성이 복수의 칼럼(22)을 도시하지만, 더 많거나 적은 칼럼(22)이 사용될 수 있음이 이해되어야 한다. 또한, 매니폴드 구성이 도시되지만, 복수의 평행 경로를 통해 이동하는 작동 유체와 함께, 예컨대, 작동 유체가 복수의 칼럼을 통해 이동하는 일련의 구성 같이 다른 도관 구성이 사용될 수 있다.

칼럼(22) 각각은 작동 유체가 흐르는 작동 유체 도관(24)을 포함한다. 작동 유체 도관(24)은 유리하게는 약 100 W/m-K보다 큰, 더 유리하게는 250 W/m-K보다 큰, 더 유리하게는 약 400 W/m-K보다 큰 열전도성을 갖는 열전도성 물질로 만들어진다. 예시적인 물질은 예컨대, 알루미늄, 구리 또는 그것들의 합금 같은 다양한 금속을 포함한다.

열 흡수층(26)은 주 상단 표면(28)과 대향하는 주 하단 표면(30)을 포함한다. 열 흡수층(26)은 주 상단 표면(28)에 접촉하는 태양 광선의 전자기에너지를 수용하고, 그 에너지를 열에너지로 전환하기 위해 제공된다. 따라서, 열 흡수층(26)은 유리하게는 유입되는 태양 복사를 향하고 원통형 도관(24) 하나보다 더 큰 표면 영역을 갖는다. 도 2에서 알 수 있듯이, 열 흡수층(26)은 대체로 긴 직사각형(elongated rectangle) 형태일 수 있다. 일 실시예에서, 열 흡수층(26)은 대체로 평면일 수 있다. 다른 실시예에서, 열 흡수층(26)은 원형 또는 볼록 또는 오목 형태의 단면을 포함할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 열 흡수층은 적어도 부분적으로 도관(24)을 그 안에 수용하도록 대체로 만곡된 또는 원형인(radiused) 중앙부를 포함할 수 있다.

열 흡수층(26)은 바람직하게는 주 표면(28, 30)의 길이와 폭에 비해 얇은 요소이다. 소정의 실시예에서, 열 흡수층(26)은 약 0.25 mm 부터 약 5 mm 까지의 두께를 가질 수 있다. 열 흡수층(26)은 유리하게는 금속성 물질이다. 금속성 물질은 예컨대, 알루미늄, 구리 또는 그것들의 합금일 수 있다.

열 흡수층(26)의 주 하단 표면(30)은 예컨대, 접착제, 용접 또는 기계적 체결구를 이용하여 도관(24)의 외측 방사 표면의 일부에 부착될 수 있다. 다른 실시예에서, 주 하단 표면(30)은 도관(24)에 접촉할 수 있지만, 체결되지는 않을 수 있다. 일 실시예에서, 열 흡수층(26)은 열 흡수층(26)의 측방향 폭을 대체로 이등분하는 위치에서 도관(24)에 접촉한다.

흡수성을 향상시키기 위해서, 주 상단 표면(28)은 방사성 물질로 코팅될 수 있다. 방사성 물질(28)은 태양에너지의 흡수와 열에너지로의 전환을 향상시킨다. 일 실시예에서, 코팅은 약 ε=0.90 보다 큰 방사율을 가져온다. 다른 실시예에서, 코팅은 약 ε=0.95 보다 큰 방사율을 제공할 수 있다. 또 다른 실시예에서, 코팅은 약 ε=0.98 보다 큰 방사율을 제공할 수 있다.

개별 흡수층(26)이 각각의 칼럼(22)에 대해 도시되지만, 단일의 연속적인 열 흡수층(26)이 복수의 도관(24)에 제공될 수 있음이 이해되어야 한다. 다시 말해, 단일 흡수층(26)이 복수의 도관(24)에 걸쳐 있을 수 있다.

열 스프레더(32)는 주 하단 표면(30)의 적어도 일부와, 도관(24)의 외측 방사 표면의 적어도 일부와 열 접촉한다. 본 명세서에 이용되는 바와 같이, 열 전도는 그것들 사이의 전도성 열 전달을 허용하기에 충분한 물리적 접촉을 의미한다. 알 수 있는 바와 같이, 이러한 방식으로, 도관(24)은 열 흡수층(26)과 열 스프레더(32) 사이에 위치되고 둘러싸인다. 일 실시예에서, 열 스프레더층(32)은 도관(24)의 곡률을 따라가도록 가요성이 있고 순응성이 있다. 따라서, 열 스프레더(32)는 유리하게는 도관(24)의 주연부의 적어도 약 30 %, 더 유리하게는 주연부의 적어도 약 50 %, 또 더 유리하게는 주연부의 적어도 약 75 %와 열 접촉한다.

일 실시예에서, 열 스프레더(32)는 열 흡수체(26)의 주 하단 표면(20)의 표면 영역의 적어도 약 40 %와 열 접촉한다. 다른 실시예에서, 열 스프레더(32)는 열 흡수체(26)의 주 하단 표면(20)의 표면 영역의 적어도 약 60 %와 열 접촉한다. 또 다른 실시예에서, 열 스프레더(32)는 열 흡수체(26)의 주 하단 표면(20)의 표면 영역의 적어도 약 80 %와 열 접촉한다.

열 스프레더(32) 각각은 선택적으로 주 상단 표면(34)과 주 하단 표면(36)을 갖는 얇은 시트형(sheet-like)이다. 일 실시예에서, 열 스프레더(32)는 약 2 mm와 약 0.05 mm 두께 사이이다. 이러한 또는 다른 실시예에서, 열 스프레더는 약 2 mm 두께보다 작을 수 있다. 다른 실시예에서, 열 스프레더(32)는 약 1 mm 두께보다 작을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 열 스프레더는 약 0.5 mm 두께보다 작을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 열 스프레더는 약 0.1 mm 두께보다 작을 수 있다.

하나 이상의 실시예에 따르면, 열 스프레더(32)는 박리 흑연 입자의 압축체 시트, 흑연화 폴리이미드의 시트 또는 그것들의 조합일 수 있다. 그러한 물질은 수직 전도도(thru-plane conductivity)에 비해 큰 수평(in-plane) 열 전도도를 갖는 매우 이방성이다. 유리하게는, 이방성 비율은 적어도 약 10, 더 유리하게는 적어도 약 20, 또한 더 유리하게는 적어도 약 50이다.

열 스프레더(32)가 복합부(즉, 만곡부 및 직선부)를 포함하는 경우, 열 스프레더(32)가 유리하게는 단일의 연속적인 시트임이 이해되어야 한다. 다른 실시예에서, 열 스프레더는 예컨대, 열 접착제, 기계적 체결구 또는 다른 수단에 의해 서로 결합되는 복합 시트들일 수 있다.

열 스프레더(32) 각각은 대략 실온에서{거의 25 ℃의 실온에서 실험하기 위해 옹스트롬 방식(Angstrom method)을 사용} 약 250 W/mK 보다 큰 수평 열 전도도를 가질 수 있다. 다른 실시예에서, 스프레더(32)의 수평 열 전도도는 적어도 약 400 W/mK이다. 또 다른 실시예에서, 스프레더(32)의 수평 열 전도도는 적어도 약 600 W/mK일 수 있다. 추가 실시예에서, 수평 열 전도도는 적어도 250 W/mK부터 적어도 약 1500 W/mK까지의 범위일 수 있다. 이러한 또는 다른 실시예에서, 스프레더(32)의 수직 열 전도도는 약 10 W/mK보다 작을 수 있다. 다른 실시예에서, 수직 열 전도도는 약 5 W/mK보다 작을 수 있다. 일 실시예에서, 열 스프레더(32)는 열 흡수층(26) 물질의 수평 열 전도도의 적어도 약 1배의 수평 열 전도도를 갖는다. 다른 실시예에서, 열 스프레더(32)는 열 흡수층(26) 물질의 수평 열 전도도의 적어도 약 1.5배의 수평 열전도도를 갖는다. 또 다른 실시예에서, 열 스프레더(32)는 열 흡수층(26) 물질의 수평 열 전도도의 적어도 약 2배의 수평 열 전도도를 갖는다. 상기 수평 열 전도도의 임의의 조합이 실시될 수 있다. 적절한 흑연 시트와 시트 제조 공정이 예컨대, 미국 특허 제 5,091,025호 및 제 3,404,061호에 개시되며, 그 내용을 본 명세서에서 참조한다. 일 실시예에서, 열 스프레더는 예컨대, 본 출원의 양수인인 그라프텍 인터네셔널 홀딩스 인코포레이티드에 의해 판매되는 eGRAF® 스프레더쉴드™로부터 만들어질 수 있다.

최적의 실시예에서, 하나 이상의 열 스프레더(32)가 수지로 강화될 수 있다. 수지는 예컨대, 스프레더(32)의 강성, 강도 및/또는 불침투성을 향상하기 위해 이용될 수 있다. 수지 강화재와의 조합에서 또는 대안에서, 하나 이상의 스프레더(32)는 탄소 및/또는 흑연 섬유 강화재를 포함할 수 있다.

열 스프레더(32)는 유리하게는 통상 열을 확산시키는 용도에 이용되던 종래의 물질(예컨대, 알루미늄)보다 상대적으로 더 순응적인 물질일 수 있다. 열 스프레더(32)의 이용은 도관(24)과 열 흡수층(26)과 비교해서 스프레더(32)와 도관(24) 사이에 계면 열적 열 전달 저항에 감소를 제공할 수 있다. 또한, 상술한 바와 같이, 도관(24)과 접촉하는 스프레더(32)의 표면 영역은 도관(24)과 접촉하는 열 흡수층(26)의 표면 영역보다 크다. 이것은 본 명세서에 개시된 바와 같이, 열 흡수 시스템이 열 스프레더를 결여했을 때와 비교할 때, 도관(24)으로의 더 큰 열 전달을 가능하게 한다.

열 스프레더(32)는 도관(24) 및/또는 열 흡수층(26)에의 접착을 가능하게 하거나 향상시키도록 필름 접착제에 의해 최적으로 코팅될 수 있다. 접착층은 유리하게는 스프레더(32)로의 열 전달을 인지 가능하게 지연시키지 않도록 충분히 얇아야 한다. 접착층을 포함하고 이형 라이너(release liner)에 제공되는 스프레더(32)를 이용하면, "박리 및 점착(peel and stick)" 용도가 개별 칼럼(22)에서 가능하게 됨에 따라 열 흡수체(12)의 조립체가 단순화될 수 있다.

도 4를 참조하면, 다른 실시예에서 비슷한 도면 부호가 비슷한 요소를 표시하는 것으로 도시된다. 알 수 있듯이, 칼럼(22)은 제2 스프레더(32b)가 제1 스프레더(32a)와 열 흡수층(26) 사이에 제공되는 것을 제외하고 단면상으로 실질적으로 유사하다. 이러한 실시예에 따르면, 제1 스프레더(32a)와 제2 스프레더(32b)는 그것들 사이의 도관(24)을 둘러싸도록 배열된다. 또한, 제2 스프레더(36b)는 도관(24)과 열 흡수층(26) 사이에 위치된다.

상기 실시예들 중 어느 하나에 따르면, 태양열 흡수층(26)은 금속 대신에, 본 명세서에 기재되고 개시된 바와 같이, 흑연 시트 물질일 수 있다. 이러한 또는 다른 실시예에서, 흑연 태양열 흡수층의 주 상단 표면(28)은 표면 방사율을 향상시키기 위해 널링되거나(knurled) 또는 조면화(roughened)될 수 있다. 열 흡수층이 압축 팽창 천연 흑연 시트인 실시예에서, 주 상단 표면(28)은 테이프를 그 표면에 부착하고, 그 후 상단의 매끄러운 표면을 제거하고 하단의 구조화 표면(textured surface)을 드러내기 위해 테이프를 뜯음으로서 조면화될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 흑연 가루가 주 상단 표면(28)에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 흑연 가루는 약 500 μm보다 작은 d90 %일 수 있다. 다른 실시예에서, d90 %는 약 200 μm보다 작다. 또 다른 실시예에서, d90 %는 약 100 μm보다 작다. 또 다른 실시예에서, d90 %는 약 55 μm보다 작다.

도 5를 참조하면, 비슷한 도면 부호가 비슷한 요소를 표시하는 다른 실시예가 개시된다. 이러한 실시예에 따르면, 태양열 흡수층(26)이 스프레더(32) 없이 제공된다. 이러한 실시예에 따른 태양열 흡수층(26)은 상술한 바와 같이 흑연 물질이며, 상술한 하나 이상의 표면 처리를 포함한다. 알 수 있듯이, 흑연 물질이 상대적으로 가요성이 있기 때문에, 태양열 흡수층(26)이 중앙 엔벨로핑 섹션(center enveloping section; 40)과 외향으로 연장하는 대향 섹션(42)을 포함하는 방식으로 도관(24) 주위를 따른다. 중앙 섹션(40)은 유리하게는 도관(24) 주연부의 적어도 약 30 %, 더 유리하게는 주연부의 적어도 약 50 %, 또 더 유리하게는 주연부의 적어도 약 75 %와 열 접촉한다.

이 출원에 언급된 모든 인용 특허와 공보의 개시내용은 전체로서 본 명세서에 참조된다. 본 명세서에 개시된 다양한 실시예는 그것들의 임의의 조합으로 실시될 수 있다. 상기 기재는 당해 기술 분야의 숙련자가 본 발명을 실시할 수 있도록 의도된다. 숙련자에게 기재를 읽어 자명한 가능한 변경과 수정의 자세한 모든 것은 의도되지 않는다. 그러나 모든 그러한 수정과 변경이 다음 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 범위에 포함되는 것이 의도된다. 청구범위가 문맥에서 구체적으로 반대되는 것으로 표시하지 않는 한, 본 발명의 의도된 목적을 달성하기에 효율적인 임의의 배열이나 시퀀스에서 표시된 요소와 단계를 포함하는 것이 의도된다.

(12): 흡수체
(18): 입력 도관
(20): 출력 도관
(22): 칼럼
(24): 작동 유체 도관
(26): 열 흡수층

Claims

열 흡수체 조립체이며,
태양 복사를 흡수하기에 적합한 주 상단 표면과, 상기 주 상단 표면과 대향하는 주 하단 표면을 갖는 태양열 흡수체층과,
상기 주 하단 표면에 인접하게 위치하고 이를 통해 유체를 수용하기 위한 도관과,
상기 태양열 흡수체층의 주 하단 표면의 적어도 일부와 접촉하는 열 스프레더로서, 상기 도관은 상기 태양광 흡수체층과 상기 열 스프레더 사이에 위치되는 열 스프레더를 포함하고,
상기 열 스프레더는 적어도 약 250 W/mK의 수평 열전도도를 갖는 열적으로 이방성 물질인 열 흡수체 조립체.
제1항에 있어서, 상기 열적으로 이방성 물질은 박리 흑연 입자의 압축체 시트를 포함하는 열 흡수체 조립체.
제1항에 있어서, 상기 열적으로 이방성 물질은 흑연화 폴리이미드 시트를 포함하는 열 흡수체 조립체.
제1항에 있어서, 상기 열 스프레더는 상기 열 흡수체의 상기 주 하단 표면의 표면 영역의 적어도 약 60 %와 접촉하는 열 흡수체 조립체.
제1항에 있어서, 상기 열 스프레더는 상기 열 흡수체의 상기 주 하단 표면의 표면 영역의 적어도 약 80 %와 접촉하는 열 흡수체 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 도관은 주연부를 포함하고, 상기 열 스프레더는 상기 도관 주연부의 적어도 약 30 %와 접촉하는 열 흡수체 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 도관은 주연부를 포함하고, 상기 열 스프레더는 상기 도관 주연부의 적어도 약 50 %와 접촉하는 열 흡수체 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 도관은 주연부를 포함하고, 상기 열 스프레더는 상기 도관 주연부의 적어도 약 75 %와 접촉하는 열 흡수체 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 열 스프레더는 약 2 mm보다 작은 두께를 갖는 열 흡수체 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 열 스프레더는 약 1 mm보다 작은 두께를 갖는 열 흡수체 조립체.
제 1항에 있어서, 상기 열 스프레더는 약 0.1 mm보다 작은 두께를 갖는 열 흡수체 조립체.
열 흡수체 조립체이며,
태양 복사를 흡수하기에 적합한 주 상단 표면과, 상기 주 상단 표면과 대향하는 주 하단 표면을 갖는 태양열 흡수체층과,
상기 주 하단 표면과 접촉하고 이를 통해 유체를 수용하기 위한 도관을 포함하고,
상기 흡수체는 적어도 250 W/mK의 수평 열전도도를 갖는 열적으로 이방성 물질인 열 흡수체 조립체.
제12항에 있어서, 상기 열적으로 이방성 물질은 박리 흑연 입자의 압축체 시트를 포함하는 열 흡수체 조립체.
제12항에 있어서, 상기 열적으로 이방성 물질은 흑연화 폴리이미드 시트를 포함하는 열 흡수체 조립체.
제13항에 있어서, 상기 태양열 흡수체층은 중앙 엔벨로핑 섹션과, 외향으로 연장하는 대향 섹션을 포함하는 열 흡수체 조립체.
제 15항에 있어서, 상기 도관은 주연부를 갖고, 상기 중앙 엔벨로핑 섹션은 상기 주연부의 적어도 약 30 %와 접촉하는 열 흡수체 조립체.
제 15항에 있어서, 상기 도관은 주연부를 갖고, 상기 중앙 엔벨로핑 섹션은 상기 주연부의 적어도 약 50 %와 접촉하는 열 흡수체 조립체.
제 15항에 있어서, 상기 도관은 주연부를 갖고, 상기 중앙 엔벨로핑 섹션은 상기 주연부의 적어도 약 75 %와 접촉하는 열 흡수체 조립체.
제12항에 있어서, 상기 태양열 흡수체층의 상기 주 상단 표면에는 흑연 가루가 부착되는 열 흡수체 조립체.
제19항에 있어서, 상기 흑연 가루는 약 500 μm보다 작은 d90 %를 포함하는 열 흡수체 조립체.
제19항에 있어서, 상기 흑연 가루는 약 200 μm보다 작은 d90 %를 포함하는 열 흡수체 조립체.
제19항에 있어서, 상기 흑연 가루는 약 100 μm보다 작은 d90 %를 포함하는 열 흡수체 조립체.