KR20140010079A - 태양열 집열기를 위한 과열방지 메커니즘 - Google Patents

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Abstract

과열방지를 위한 장치(an apparatus for overheat protection, OPD)가 태양열 집열기(solar thermal collector)의 순환 시스템과 별도로 실행되고 주위 환경과 차단된다. 이 시스템은 내부 온도가 상승했을 때 태양열 집열기의 작동을 가능하게 해준다(임계 온도 위에서는 작동을 줄이거나 중단하는 것에 대비됨). OPD는 적어도 두 가지 유체들로 패워진 히트 파이프(heat pipe)를 포함한다. 열 전도가 없는 상태에서, 히트 파이프의 증발기 부분에서의 온도는 전이온도(transition temperature)보다 낮고, 이중유체(dual-fluid)는, 액체상태인 적어도 하나의 유체 및 기체상태인 적어도 하나의 유체를 포함한다. 증발기에서의 온도가 사전규정된 전이온도보다 높아질 때, OPD는 열 전도상태로의 급작스런 전이를 겪게 된다. 이로써 이중유체는 증발기 영역으로부터 콘덴서 영역을 열을 전달한다. 이리하여 주위 환경으로부터의 열적 차단상태에서 강한 열적 결합상태로의 전이가 일어난다.

Description

태양열 집열기를 위한 과열방지 메커니즘{OVERHEAT PROTECTION MECHANISM FOR SOLAR THERMAL COLLECTOR}
본 발명은 일반적으로 태양 에너지 집열기(solar energy collector)에 관한 것으로, 특히 태양열 집열기를 위한 과열방지 메커니즘(overheat protection mechanism for solar thermal collectors)에 관한 것이다.
도 1을 참조하면, 통상적인 태양열 집열 시스템에 대한 다이어그램이 도시되어 있다. 태양열 집열기들, 태양 에너지 집열기들, 쏠라 패널들(solar panels), 또는 쏠라 모듈들(solar modules)로도 알려진 태양열 유닛들(solar thermal units)(100)은 거주 또는 산업 시설 내의 다양한 애플리케이션(application)을 위해, 태양 방사(solar radiation)를 열에너지로 전환한다. 통상적인 애플리케이션으로는 온수 가열(104), 공간 난방(106), 산업 프로세스 히팅(108), 태양열 냉방(110) 및 여타의 애플리케이션들(112)이 포함된다. 다양한 태양열 집열기들이 상업적으로 활용 가능하며, 이들 통상적인 태양열 집열기들에 대한 배치, 작동 및 유지보수들은 산업계에 잘 알려져 있다. 본 명세서에서 명료함을 위해 단수형 용어의 애플리케이션에 대해 종종 거론되었지만, 이는 이 단일 적용분야에 대해 국한함을 의미하는 것은 아니며, 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자(이후 '당업자'라 칭함)는 다중의 애플리케이션들이 포함된다는 것을 이해할 것이다. 본 명세서에서 태양열 집열 시스템(solar collecting system)이란 용어는 일반적으로 하나 또는 그 이상의 태양열 집열기들, 애플리케이션의 컴포넌트들(components), 관련된 지원 컴포넌트들을 의미하는 것이다.
적외선 방사에 대한 투과도가 낮지만, 태양 방사를 통과시키는 단열 패널들이, 클리어(Klier) 및 노빅(Novik)에게 허여된 미국특허 US4,480,632, US4,719,902, US4,815,442, US4,928,665 및 US5,167,217에 개시되었다. 투명 단열재 또는 써멀 다이오드(thermal diod)로도 불리는 이들 단열 패널들은, 태양의 적외선 방사 및 가시광선에 대해서 투명한 유리 또는 합성물질로 만들어진 허니콤(honeycomb)일 수 있으며, 열적외선의 후방 방사(thermal IR back-radiation)에 대해선 불투명할 수 있는데, 이는 재료의 광학적 특성들과, 재료 및/또는 패널의 기하학적 구조에 기인하는 것이다. 동시에 투명 단열재는, 예컨대 허니콤의 얇은 벽들을 포함하여, 재료의 기하학적 특성들 및 물리적 특성들로 인해 열의 대류를 억제하며, 재료의 열적 특성들로 인해 열의 전도를 억제한다.
열적외선의 후방 방사에 대한 억제와 함께, 유입되는 태양 방사에 대한 투명도와, 저 대류 및 저 전도로 인한 제한된 에너지 손실에 대한 불균형은 써멀 다이오드를 생성하며, 열을 포획하여 이 포획된 열을 다양한 에너지 애플리케이션에 활용할 수 있도록 한다. 단열 패널들을 사용하는 것은, 단열 패널들을 사용하지 않는 시스템에 비해, 매우 넓은 범주의 주변 온도 및 조건들에 걸쳐, 특히 더 추운 기후에서 에너지 전환 효율들을 훨씬 더 커지게 할 수 있다. 어떤 실행들(implementations)에 있어서는 태양열 흡수 표면이, 열적외선 스펙트럼에서 열의 재발산을 억제해주는 스펙트럼 선택 층(spectrally selective layer)으로 코팅되어, 투명 단열재가 열적외선 스펙트럼에서 실질적으로 불투명할 필요를 없애준다.
투명한 단열재를 지닌 태양열 집열기는 단열처리된 쏠라 패널(insulated solar panel)로서 공지되어 있다. 이 경우 "단열처리된"이란, 태양열 집열기의 후면 및 측면들에 통상적으로 사용되는 전통적 단열재가 아니라, 투명한 단열재를 의미하는 것이다. 단열처리된 쏠라 패널들은 이스라엘 네비 야락(Nevi Yarak)의 티지(TIGI)사로부터 구할 수 있다. 단열처리된 쏠라 패널는, 전통적인 태양열 집열기들에 비해 훨씬 큰 에너지 전환효율을 지닌 태양열 집열기를 제공해준다. 이러한 것은 특히, 예컨대 고위도 지방의 겨울철에 집열기 내의 순환 유체(예컨대 가열된 물)의 온도와 주변 온도 사이에 상당한 온도 편차가 있는 상태에서 일어난다. 도 2를 참조하면, 온도 및 태양의 방사조도(solar irradiance)를 기초로 한 X의 함수로서 집열기 효율(h)에 대한 그래프가 도시되어 있다(여기서 X = ΔT/G로서, ΔT는 집열기 평균온도와 주변 온도 사이의 온도차이고, G는 전천일사(global solar radiation)임). X의 값이 클수록 날씨가 춥고 일광조건(sunny condition)이 나쁨을 나타낸다. 현 도면에서 보다시피, 주위 환경이 추워짐 및/또는 활용가능한 태양 방사의 양의 감소함에 따라, 단열처리된 쏠라 패널의 효율은 전통적인 편평한 패널 집열기에 비해 높은 수준으로 유지됨을 알 수 있다. 보통의 전통적인 편평한 패널 집열기의 효율이 거의 제로로(예컨대 0 내지 10%의 범위 내로) 떨어질 때, 단열처리된 쏠라 패널은 여전히 40%의 효율을 내면서 작동할 수 있다. 단열처리된 쏠라 패널들의 높은 효율은 전통적 쏠라 패널들보다 큰 이점들을 제공하지만, 성공적인 작동을 위해서는 처리되어야 할, 작동 및 유지보수상의 도전 과제들이 있다. 특히 태양열 집열기를 위한 과열방지 메커니즘이 필요하게 되었다.
본 발명 실시 예의 교시에 따르면, 과열방지를 위한 장치(an apparatus for overheat protection)가 제공되는데, 상기 장치는, 흡수기(absorber)를 포함하는 태양열 집열기; 및 히트 파이프(heat pipe);를 포함하며, 상기 히트 파이프는, 적어도 두 가지 유체들을 포함하고 있는 증발기(evaporator); 및 상기 증발기에 기능적으로 연결된(operationally connected) 콘덴서(condenser)를 포함하며, 유체들의 조합(combination of fluids)은 이중유체 열전달 유체(dual-fluid heat transfer fluid)로서 열을 전달하여 증발기를 흡수기와 열 접촉(thermal contact)하게끔 구성되고, 콘덴서는 태양열 집열기의 외부 주위 환경과 열 접촉한다. 여기서, 열전도가 없는 상태(non-heat conducting state)에서는 증발기에서의 온도가 전이온도(transition temoerature)보다 낮고, 이중유체 열전달 유체는 액체상태에 있는 적어도 하나의 유체와 기체상태에 있는 적어도 하나의 유체를 포함하며; 열전도 상태(heat conducting state)에서는 증발기에서의 온도가 사전규정된(pre-defined) 전이온도보다 높고, 이중유체 열전달 유체는 열을 증발기로부터 콘덴서로 전달한다.
선택적인 실시 예에서, 태양열 집열기는 단열처리된 쏠라 패널이다. 다른 선택적인 실시 예에서, 이중유체 열전달 유체는, 증발기를 콘덴서로부터 열적으로 차단하는 상태(state of thermally isolating)에서, 증발기를 콘덴서에 열적으로 결합시키는 상태(state of thermal coupling)로의 급작스런 전이(abrupt transition)를 가지게끔 구성된다. 또 다른 선택적인 실시 예에서, 상기 급작스런 전이는 섭씨 10도의 활성 범위(activation range) 내에서 일어난다.
선택적인 실시 예에서, 상기 장치(apparatus)는, 히트 파이프에 기능적으로 연결된 팽창 볼륨(expansion volume)을 더 포함하며, 온도가 전이온도에 근접함에 따라 이중유체 열전달 유체의 일부분이 히트 파이프로부터 팽창 볼륨으로 흐르고, 이로써 히트 파이프의 내부 압력이 주변 압력 근처의 주어진 범주 내에 잔존하게 되는 온도의 범위를 확장시킨다.
다른 선택적인 실시 예에서, 증발기는 부가적으로 열 저장장치(heat storage device)로서의 기능을 한다.
본 발명 실시 예의 교시에 따르면, 과열방지를 위한 장치가 제공되는데, 상기 장치는, 흡수기를 포함하는 태양열 집열기; 및 열전달 메커니즘(heat transfer mechanism);을 포함하며, 상기 열전달 메커니즘은, 출구(exit)와 반입구(return)를 가지고 열전달 유체를 포함하고 흡수기와 열 접촉하는 증발기; 유입구(input)와 유출구(output)를 가지고 태양열 집열기의 외부 주위 환경과 열 접촉하는 콘덴서; 및, 증발기를 콘덴서에 연결해주는 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥(at least one length of flexible piping);을 포함하며, 상기 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥은, 흡수기에서의 온도가, 내부 압력이 주변 압력보다 낮은 상태에 상응하는, 사전규정된 전이온도보다 낮을 때의 붕괴상태(collapsed state)에서는, 열전달 유체가 증발기로부터 콘덴서로 흐르는 것을 막고, 이로써 증발기를 콘덴서로부터 열적으로 차단하고, 증발기로부터 콘덴서로 열전달이 일어나지 못하게끔 구성되고, 그리고 흡수기에서의 온도가, 내부 압력이 주변 압력보다 높은 상태에 상응하는, 사전규정된 전이온도보다 높을 때의 팽창상태(expanded state)에서는, 열전달 유체가 증발기로부터 콘덴서로 흐르는 것을 허용하고, 이로써 증발기를 콘덴서에 열적으로 결합시키고, 증발기로부터 콘덴서로 열전달이 일어날 수 있게끔 구성된다.
선택적인 실시 예에서, 태양열 집열기는 단열처리된 쏠라 패널이다. 다른 선택적인 실시 예에서, 열전달 유체는 이중유체 열전달 유체이다. 또 다른 선택적인 실시 예에서, 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥은 증발기의 출구를 콘덴서의 유입구에 연결한다. 또 다른 선택적인 실시 예에서, 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥은 콘덴서의 유출구를 증발기의 반입구에 연결한다, 또 다른 선택적인 실시 예에서, 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥은 열적으로(thermally) 단열해준다.
선택적인 실시 예에서, 증발기는 태양열 집열기의 내부에 있다. 다른 선택적인 실시 예에서, 콘덴서의 위치는, 태양열 집열기의 외부에, 그리고 증발기보다 상대적으로 높은 위치에 있다.
선택적인 실시 예에서, 응축된 액체는 중력의 도움을 받아 콘덴서로부터 증발기로 반입된다.
선택적인 실시 예에서, 사전규정된 전이온도는 섭씨 98도 내지 108도 범위 내에 있다.
본 발명 실시 예의 교시에 따르면, 과열방지를 위한 방법이 제공되는데, 상기 방법은, 태양열 집열기의 흡수기와 열 접촉하며 적어도 두 가지 유체를 포함하며 유체들의 조합(combination of fluids)은 이중유체 열전달 유체로서 열을 전달하게끔 구성된 증발기를 배치하는 단계; 및 태양열 집열기의 외부 주위 환경과 열 접촉하며 증발기에 기능적으로 연결되는 콘덴서를 배치하는 단계;를 포함하며, 열전도가 없는 상태에서는 증발기에서의 온도가 전이온도보다 낮고, 이중유체 열전달 유체는 액체상태에 있는 적어도 하나의 유체와 기체상태에 있는 적어도 하나의 유체를 포함하며; 열전도 상태에서는 증발기에서의 온도가 사전규정된 전이온도보다 높고, 이중유체 열전달 유체는 열을 증발기로부터 콘덴서로 전달한다.
선택적인 실시 예에서, 태양열 집열기는 단열처리된 쏠라 패널이다.
선택적인 실시 예에서, 이중유체 열전달 유체는, 증발기를 콘덴서로부터 열적으로 차단하는 상태에서, 증발기를 콘덴서에 열적으로 결합시키는 상태로의 급작스런 전이를 가지게끔 구성된다. 다른 선택적인 실시 예에서, 상기 급작스런 전이는 섭씨 10도의 활성 범위 내에서 일어난다. 또 다른 선택적인 실시 예에서, 전이온도는 장치(apparatus)의 작동 전에 사전규정된다. 또 다른 선택적인 실시 예에서, 전이온도는 장치(apparatus)의 작동 시작 후에 제2 전이온도로 조절된다.
또 다른 선택적인 실시 예에서, 전이온도는, 이중유체 열전달 유체의 구성물을 변경함으로써 조절되며, 상기 구성물은, 공기/물, 공기/글리콜(glycol)/물, 아르곤(argon)/물, 아르곤/글리콜/물, 질소/물 및 질소/글리콜/물,로 이루어진 군에서 선정된다.
또 다른 선택적인 실시 예에서, 전이온도는, 이중유체 열전달 유체 내의 적어도 두 가지 유체의 비율을 변경하는 것, 장치(apparatus) 내의 이중유체 열전달 유체의 양을 변경하는 것, 콘덴서 체적을 변경하는 것, 증발기 체적을 변경하는 것, 장치(apparatus)의 내부 압력을 변경하는 것 및, 콘덴서에 팽창 볼륨(expansion volume)을 추가하는 것으로 이루어진 군에서 선정된 변경에 의해 조절된다.
선택적인 실시 예에서, 본 방법은, 콘덴서에 기능적으로 연결된 팽창 볼륨을 배치하는 단계를 포함하며, 여기서, 온도가 전이온도에 근접함에 따라 이중유체 열전달 유체의 일부분이 히트 파이프로부터 팽창 볼륨으로 흐르고, 이로써 히트 파이프의 내부 압력이 주변 압력 근처의 주어진 범주 내에 잔존하게 되는 온도의 범위를 확장시킨다.
다른 선택적인 실시 예에서, 증발기는 부가적으로 열 저장장치로서의 기능을 한다.
본 발명 실시 예의 교시에 따르면, 과열방지를 위한 방법이 제공되는데, 상기 방법은, 출구와 반입구를 가지고 열전달 유체를 포함하고 태양열 집열기의 흡수기와 열 접촉하는 증발기를 배치하는 단계; 유입구와 유출구를 가지고 태양열 집열기의 외부 주위 환경과 열 접촉하는 콘덴서를 배치하는 단계; 및, 증발기를 콘덴서에 연결해주는 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥을 배치하는 단계;를 포함하며, 상기 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥은, 흡수기에서 온도가, 내부 압력이 주변 압력보다 낮은 상태에 상응하는, 사전규정된 전이온도보다 낮을 때의 붕괴상태에서는, 열전달 유체가 증발기로부터 콘덴서로 흐르는 것을 막고, 이로써 증발기를 콘덴서로부터 열적으로 차단하고, 증발기로부터 콘덴서로 열전달이 일어나지 못하게끔 구성되며, 흡수기에서 온도가, 내부 압력이 주변 압력보다 높은 상태에 상응하는, 사전규정된 전이온도보다 높을 때의 팽창상태에서는, 열전달 유체가 증발기로부터 콘덴서로 흐르는 것을 허용하고, 이로써 증발기를 콘덴서에 열적으로 결합하고, 증발기로부터 콘덴서로 열전달이 일어날 수 있게끔 구성된다.
선택적인 실시 예에서, 태양열 집열기는 단열처리된 쏠라 패널이다.
다른 선택적인 실시 예에서, 열전달 유체는 이중유체 열전달 유체이다.
첨부된 도면들을 참조하여 실시 예에 대해 설명할 것인데, 이는 단지 예시적인 것이다.
도 1은 통상적인 태양열 집열 시스템에 대한 다이어그램이다.
도 2는 집열기의 효율(h)를, 온도 및 태양의 방사조도를 기초로 한 X의 함수로 나타낸 그래프이다.
도 3은 태양열 단열이 800 W/m2 인 상태에서, 과열방지 장치(OPD)가 있는 경우 및 없는 경우에 있어서, 집열기의 효율 대 집열기 내부 온도에 대한 그래프이다.
도 4a는 전이온도 T0 아래에선 열적 차단기(thermal isolator)로 작동하고, 전이온도 T0 위에선 열적 결합기(thermal coupler)로 작동하는 과열방지 장치에 대한 정면도이다.
도 4b는 전이온도 T0 아래에선 열적 차단기로 작동하고, 전이온도 T0 위에선 열적 결합기로 작동하는 과열방지 장치에 대한 횡단면도이다.
도 5a는, 응축된 유체가 증발기로 배출되는 것을 확실하게 하기 위해, 콘덴서가 약간 경사진 OPD에 대한 정면도이다.
도 5b는, 응축된 유체가 증발기로 배출되는 것을 확실하게 하기 위해, 콘덴서가 약간 경사진 OPD에 대한 횡단면도이다.
도 6a는, 팽창 볼륨을 포함한 OPD를 지닌 집열기 설계의 비제한적인 예시(non-limiting example)에 대한 정면도이다.
도 6b는, 팽창 볼륨을 포함한 OPD를 지닌 집열기 설계의 비제한적인 예시에 대한 횡단면도이다.
도 7은 글리콜(glycol)의 중량 백분율(weight percentage)(%EG)을 기초로, 글리콜/물 이중유체에 대한 대기압에서의 비등점을 섭씨로 보여주는 차트이다.
도 8a는 저장 콜렉터(storage collector)로 기능 하는 통합된 과열방지 장치를 지닌 태양열 집열기에 대한 정면도이다.
도 8b는 저장 콜렉터로 기능 하는 통합된 과열방지 장치를 지닌 태양열 집열기에 대한 횡단면도이다.
도 9는 OPD 내에서 열적 차단을 위해 스퀴즈 밸브(squeeze valve)를 사용하는 예시적인 실행에 대한 다이어그램이다.
도 10은 이중유체 OPD 작동 중의 온도 그래프이다.
도면들 및 이에 수반되는 설명으로, 본 발명의 실시 예에 따른 시스템의 원리 및 작동에 대해 보다 잘 이해될 수 있을 것이다. 본 발명은 태양열 집열기를 위한 과열방지 장치에 대한 시스템 및 방법에 대한 것이다. 본 시스템은, 태양열 집열기의 순환 시스템과 독립적으로 실행될 수 있고 주위 환경으로부터 차단될 수 있는 패시브 또는 액티브(passive or active) 과열방지 장치를 촉진시켜 준다. 본 시스템은, 태양열 집열기가 상승된 내부 온도에서 작동하는 것을 촉진시켜 준다(임계 온도 위에서 작동을 줄이거나 중단시키는 것과 대조적임). 구동기의 자동화된 온도유도 행위(automated temperature induced action)에 의해 태양열 집열기 내부의 온도를 패시브 또는 액티브하게 제한하는 것은, 주위 환경으로부터의 열적 차단 상태에서 강한 열적 결합으로 급작스런 전이를 일으키게 한다.
여기 기술된 발명은 좀더 효율적인 활용분야 및 에너지 자원의 보존을 위해 적용될 수 있다. 태양열 집열 패널들은, 예컨대 주거용 및 산업용의 온수를 공급해주는 "녹색기술(green technology)"을 가능하게 하는 것으로 널리 알려져 있다. 태양열 집열 패널들의 에너지원은 태양 에너지로서 주요한 재생가능 에너지원이다. 종래의 재생 불가능한 에너지원 대신에 태양열 집열 패널들을 사용하는 것은 온실가스 방출 감소에 직접적으로 공헌한다. 특히 본 발명의 실시 예들은 현존하는 자원들을 좀더 잘 사용하도록 활용될 수 있으며, 더 넓은 범주의 온도에 걸쳐서 작동하고, 입사되는 태양 방사의 더 넓은 범주의 방사조도에서 작동할 수 있는 새롭고 고효율의 집열기들의 배치를 가능케 하도록 활용될 수 있다. 이러한 특징들은, 이전에는 작동상 비용이 효과적이지 못한 곳에 태양열 집열기들을 배치하는 것을 촉진시켜 주고, 태양광이 줄어든 시기에도 태양열 집열기들의 작동 시간을 연장시켜 준다.
과열방지 장치에는 적어도 두 가지 유체들이 채워진 히트 파이프가 포함되어 있으며, 유체들의 조합은 이중유체 열전달 유체로서 열을 전달하게끔 구성되어 있다. 열전도가 없는 상태에서는, 히트 파이프의 증발기 부분에서의 온도는 전이온도보다 낮고, 이중유체는 액체상태의 적어도 한 가지 유체와 기체상태의 적어도 한 가지 유체를 포함한다. 열전도 상태에서는, 증발기에서의 온도는 사전 규정된 전이온도보다 높고, 이중유체는 증발기 영역으로부터 콘덴서 영역으로 열을 전달한다.
선택적으로, 적어도 하나의 신축성 있는 파이핑 가닥이 증발기를 콘덴서에 연결한다. 상기 신축성 있는 파이핑은, 흡수기에서의(히트 파이프의 증발기 부분에서의) 온도가 사전규정된 전이온도보다 낮고, 이에 상응하여 히트 파이프의 내부 압력이 주변 압력보다 낮은 붕괴상태에서, 신축성의 파이핑은 증발기로부터 콘덴서로 가는 열전달 유체의 중요한 흐름을 막기에 충분하도록 수축이 되어 증발기가 콘덴서로부터 열적으로 차단이 되게끔 구성된다. 이 신축성의 파이핑은, 흡수기에서의 온도가 사전규정된 전이온도보다 높고, 이에 상응하여 내부 압력은 주변 압력과 같거나 높은 팽창상태에서, 신축성의 파이핑이 증발기로부터 콘덴서로 가는 열전달 유체의 중요한 흐름을 허용하기에 충분하도록 이완이 되어서, 증발기가 콘덴서에 열적으로 결합이 되게끔 구성된다. 이 신축성 있는 연결구의 추가적인 특징은, 신축성 있는 연결구가, 전이온도 아래에서 증발기를 콘덴서로부터 차단하는 단열 재료로 만들어진다는 것이다.
단열처리된 쏠라 패널에 있어서, 전통적인 태양열 집열기들에서 보다 통상적으로 현저히 높은 온도에서 작동할 수 있게끔, 단열처리된 쏠라 패널이 손상되는 것을 방지하도록 온도를 제한할 수 있는 혁신적인 해결책이 필요하다. 아래 기술되는, 단열처리된 쏠라 패널들에서 온도를 제한하기 위한 실시 예들의 한 특징은, 온도 제한을 위해 연결된 장치들에 의존하거나 태양열 집열기의 온도가 전통적인 작동 범주를 초과할 때 작동을 멈추게 하는 전통적인 시스템에 반하여, 단열처리된 쏠라 패널에 의해 온도 제한하는 것이 제공된다는 것이다. 아래 기술되는 실시 예들의 다른 특징은, 실시 예들이 태양열 집열기의 밀봉된 컴포넌트들과는 독립적으로 실행될 수 있다는 것, 즉 태양열 집열기의 내부 온도는 주위 환경과의 열적 결합(thermal coupling)을 통해 제한되면서, 태양열 집열기의 내부 컴포넌트들은 주위 환경으로부터 차단된 채로 유지될 수 있다는 것이다. 아래 실시 예들에 의해 촉진되는 추가적인 특징들은, 밀봉된 태양열 집열기 외부의 온도 제한 시스템의 부분들 및/또는 액티브 시스템(active system)로서의 대안적인 실행들도 허용하면서, 밀봉된 태양열 집열기 내의 패시브 클로즈드 시스템(passive closed system)으로서 실행되는 것을 포함한다.
태양열 집열기의 수명을 연장하고, 태양열 집열기의 성능을 보장하기 위해, 태양열 집열기는, 예컨대 진공 튜브 집열기들 또는 불활성 기체가 채워진 집열기들에서와 같이 때때로 밀봉이 이루어진다. 현 실시 예에서 이러한 밀봉은, 투명 단열재와 같은 내부 컴포넌트들을 주위 환경으로부터 차단하는 것을 가능케 한다. 밀봉은 단열처리된 쏠라 패널들에 있어서 특히 중요성을 가지는데, 이는 투명 단열재가 패널의 투명 커버와 접촉하게 되는, 집열기 전방 패널의 내측 표면상에 응축(물의 응축)이 일어날 수 있기 때문이다. 이러한 응축수는 투명 단열재가 있는 상태에서 제거하기가 어렵고, 단기적으로 효율의 감소를 가져오고, 장기적으로는 집열기의 노후화를 가져올 수 있다. 본 명세서에서 용어 "주위 환경"이란 일반적으로 태양열 집열기의 외부 영역을 의미하는 것이며, 주변 대기로도 알려져 있다. 주위 환경에는, 태양열 집열기를 둘러싼 공기(지구에서의 애플리케이션) 또는 진공(우주에서의 애플리케이션), 및/또는 비제한적으로, 쏠라 유닛을 위한 지지 구조물 및 건물벽들을 포함하여 태양열 집열기가 인접한 물질들이 포함되는데, 이들에 국한된 것은 아니다. 밀봉은 응축에 대한 위험 및 잔류 화학물질의 오염에 대한 위험을 줄여준다, 또한 밀봉된 인클로저(enclosure)는, 태양열 집열기 내에 있는 주변 기체를, 아르곤 또는 크립톤과 같은 고도의 열적 특성들(느린 전도 및 대류)을 지닌 매체로 교체하는 것을 가능케 한다. 그러나 태양열 집열기를 밀봉하는 것은, 압력의 축적 및 인클로저의 비극적 파손과 관련된 위험들과 같은 새로운 도전과제들을 만들어 낸다. 단열처리된 쏠라 패널에 있어서, 투명 단열재 층이 포함되기 때문에 쏠라 패널의 체적이 증가하며, 투명 단열재로 인해 온도 변동의 범위가 넓어짐으로 해서, 이들 위험들이 더욱 심각하게 되었다.
태양열 집열 시스템에 있어서 두 가지 온도들이 거론되는데, 태양열 집열기 내부 온도와 순환 유체의 온도가 그것이다. 본 명세서에서 용어 "내부 온도"란 태양열 집열기 또는 단열처리된 쏠라 패널의 내부 온도, 통상적으로는 흡수기 근처 영역에서의 온도를 의미한다. 본 명세서에서 용어 "흡수기"란, 태양 방사를 흡수하고 이 태양 방사를 열로 전환하는 임무를 가진 통상적으로 흑색(대개 금속성의 고도의 열전도성을 지님)인 표면을 의미하는데, 상기 전환된 열은 열전달 유체(순환 유체)에 의해 시스템의 외부로 전달된다. 극심한 상태에서는 태양열 집열기의 내부 온도가 스태그네이션 온도(stagnation temperature)에 도달할 수 있는데, 이 온도에서는 시스템으로부터 에너지가 추출되지 않는다. 또는 다른 말로 말해서, 태양 방사 에너지가 패널 내로 들어오고 있지만 태양열 집열 시스템으로부터는 추가적인 에너지가 추출되지 않는다. 순환 유체의 온도는 통상적으로, 애플리케이션에 연계된 안전장치들에 의해 제한이 된다. 이러한 안전장치들의 일반적인 예가, 과열을 방지하고 애플리케이션의 컴포넌트들의 손상을 방지하기 위해 사용되는 압력 릴리프 밸브(pressure relief valve)이다.
정상적인 작동 상태하에서, 전통적인 평 패널(flat panel) 태양열 집열기들은 통상적으로, 내부 온도가 섭씨 30도 내지 90도 범주 내에서 작동하며, 스태그네이션 온도는 섭씨 약 150도 정도인데 이는 섭씨 200도까지 올라갈 수도 있다. 전통적인 진공 튜브 태양열 집열기들은 섭씨 약 200도의 스태그네이션 온도를 가지고, 최대 작동 온도인 섭씨 약 130도에 이를 수 있다.
위에서 언급한 바와 같이, 단열처리된 쏠라 패널은, 전통적인 태양열 집열기에 비해 에너지 전환효율이 훨씬 높은 태양열 집열기를 제공해준다. 따라서, 단열처리된 쏠라 패널의 스태그네이션 온도는 전통적인 태양열 집열기보다 상당히 높으며, 통상적으로 섭씨 약 250도에 달하며, 내부 온도는 섭씨 270도 내지 300도에 달할 수 있다. 만일 단열처리된 쏠라 패널의 내부 온도가 제한이 되지 않으면, 내부 온도가 이들 상당히 높은 스태그네이션 온도에 도달하여, 단열처리된 쏠라 패널의 컴포넌트들의 파손을 초래할 수 있다. 반면에 종래의 태양열 집열 시스템은 섭씨 160도 내지 200도 범주의 온도에서 스태그네이션에 도달하는데, 이 온도에서 컴포넌트들의 파손을 견딜 수 있게 태양열 집열 시스템이 설계되고, 태양열 집열기 내의 온도를 제한할 필요는 없게 된다.
과열방지 장치- 패시브 써멀 스위치로서의 히트 파이프( OVERHEAT PROTECTION DEVICE(OPD)-HEAT PIPE AS A PASSIVE THERMAL SWITCH )
단열처리된 쏠라 패널을 상술한 온도들에서 작동시키고, 단열처리된 쏠라 패널 및 태양열 집열 시스템에 손상을 방지하기 위해서, 단열처리된 쏠라 패널의 스태그네이션 온도를 제한하기 위한 혁신적인 해결책이 요구된다. 본 명세서에서는 명료함을 위해, 본 발명이 대체로 단열처리된 쏠라 패널과 관련되어 기술되었다. 본 발명은, 비제한적으로 전통적인 평판 집열기와 같은 태양열 집열기를 포함하는 애플리케이션에도 실행될 수 있음을 유념하길 바란다.
한 가지 혁신적 해결책에는 패시브 써멀 스위치로서의 루프 히트 파이프(loop heat pipe)를 사용하는 것이 포함되는데, 여기서 전이온도 T0로 지정된 사전 정해진 온도에서 온도유도된 동작(temperature induced action)은, 주위 환경으로부터의 열적 차단 상태에서 강한 열적 결합 상태로의 급작스런 전이를 야기한다. 상세한 내용은 국제특허출원번호 PCT/IB2011/050208에서 찾아 볼 수 있으며, 이는 참조에 의해 여기에 포함된다.
집열기 효율에 대한 과열방지 장치(OPD)의 영향의 예가 집열기 내부 온도에 대한 함수로 도 3에 도시되어 있는데, 도 3에는 전이온도 T0 가 섭씨 100도, 태양열 단열이 800 W/m2인 경우, 과열방지 장치(OPD)가 있는 경우 및 없는 경우에 있어서, 집열기 효율 대 집열기 내부 온도에 대한 그래프가 도시되어 있다. 도면에서 알 수 있듯이, 집열기 내부 온도가 섭씨 100도를 초과 상승함에 따라 집열기 효율은 주위 환경에 에너지를 발산하면서 급격히 떨어진다. 일 실시 예에서, 루프 히트 파이프는, 집열기로부터 애플리케이션으로 열을 전달하는 1차적인 루프(primary loop)와 별도의 유체를 지닌 독립적인 순환 시스템을 포함한다. 과열방지 대책을 집열기 레벨에 하는 것이, 시스템 레벨에 하는 것에 비해 상당한 장점을 지니고 있는데, 이는 집열기 레벨에 과열방지 대책을 함으로써, 예컨대 1차적인 열전달 루프에서 작동하는 히트 덤프(heat dump)와 같은 추가적인 하드웨어를 시스템 레벨에 설치할 필요가 없어지기 때문이다. 또한 겨울철 영하의 주변 온도 때문에 파이프가 손상되는 위험을 막기 위해, 소위 드레인 백(drain-back) 시스템들을 설치하는 것이 일반적인 관행이다. 이는, 드레인 백 시스템을 활용함으로써, 글리콜의 동결방지 특성이 더 이상 필요하지 않기 때문에, 쏠라 패널 내의 1차적인 열전달 유체로서 글리콜을 물로 대체할 수 있으므로 바람직하다. 그러나 이러한 드레인 백 시스템들에는 위험 요소가 존재하는데, 이는 1차적 루프 내에 아무 유체도 없을 경우에 집열기 온도가 급격히 상승하여 스태그네이션에 도달하고, 집열기의 파손이 야기되기 때문이다.
만일 집열기 레벨의 OPD가 실행되면 이러한 위험 요소는 제거된다. 도 4a 및 도 4b를 참조하면, 이들 도면은 제각기, 과열방지 장치를 지닌 태양열 패널(집열기)(450)에 대한 정면도 및 횡단면도인데, 과열방지 장치는 전이온도 T0 아래에선 열적 차단기로서 작용하고 전이온도 위에서는 열적 결합기로서 작용한다. 이하의 도면들에서, 단열처리된 태양열 패널(450)과 같은 집열기들은, 명료함과 간결성을 위해 수직으로 그려졌다. 당업자는, 집열기는 보통 각도를 가지고 설치되며, 그 각도는 설치 조건에 따라 달라진다는 것을 잘 알고 있을 것이다.
유리(400)는 프레임(402)에 의해 유지되며 광선(본 명세서에서는 통상적으로 적외선 근방의 광선 및 가시광선을 의미함)이 흡수기(406)에 도달하는 것을 허용한다. 통상적으로 유리(400)는 저 방사성(low emissivity, low-E) 유리이다. 흡수기(406)는 흡수판(obserber plate)으로도 알려져 있다. 태양 방사를 받아드리도록 위치한, 또는 일반적인 말로 태양 방사의 소스(source)를 향하도록 위치한 저 방사성 유리의 외측 표면 또는 겉면은 집열 패널의 표면으로도 알려져 있다. 순환 파이프들(420)(1차적 루프로도 알려져 있으며, 흑색으로 도시되어 있고, 횡단면도상에는 흡수기(406)의 밑에/뒤에 원으로 도시됨)은, 흡수기(406)로부터 열을 흡수하고, 그 열을 애플리케이션에 전달하는 전달 유체를 순환시킨다. 도면상에는 명료함을 위해 순환 파이프들(420)과 애플리케이션 사이의 연결들은 도시하지 않았음을 유념하길 바란다. 또한 도면상 명료함을 위해 단일의 쏠라 패널이 도시되었지만, 통상적으로 하나의 쏠라 어레이(solar array) 내에 다중의 쏠라 패널들이 쏠라 패널들 사이에 직렬 및/또는 병렬로 연결되어 사용된다는 것을 유념해주길 바란다. 이 같은 경우, 단일 쏠라 패널의 순환 파이프로부터 애플리케이션들로 또는 하나 이상의 쏠라 패널들로 연결되고, 애플리케이션들로부터 또는 하나 이상의 쏠라 패널로부터 단일 쏠라 패널의 순환 파이프로 연결이 될 수 있다. 쏠라 패널들과 애플리케이션들 사이의 구성 및 연결은 당업자에게 자명한 사항일 것이다. 멜라닌 단열재와 같은 단열재(407)는 흡수판(406)의 후부와 쏠라 패널의 후부 측면 사이에 내부 단열을 제공해준다. 측면 및 후방에 있는 측면 단열재(405) 및 후방 단열재(408)는 제각기 태양열 패널의 내부와 주위 환경 사이에 열적 장벽(thermal barrier)을 제공해준다.
단열처리된 쏠라 패널은 집열 패널의 표면에 투명 단열재 층을 지닌 태양열 집열기이다. 투명 단열재(404)는 집열 패널(유리(400))의 내측 표면과 흡수기(406) 사이에서 쏠라 패널에 통합되어 있다. 광선은 투명 단열재(404)를 통해 전달되어(통과하여) 흡수기(406)에 도달한다. 이 경우 "단열처리된"이란, 태양열 집열기의 후부 및 측면에 통상적으로 사용되는 전통적 단열재(405, 408)에 반해, 집열 패널의 표면 뒤에 있는 - 쏠라 패널의 내부, 유리(400)와 흡수기(406) 사이에 있는 투명 단열재(404)를 의미한다.
순환 파이프들(430)(백색으로 도시되어 있으며, 횡단면도 상에는 흡수기(406)의 밑/뒤에 원으로 도시됨)은 히트 파이프의 증발기 섹션을 제공해준다. 증발기로서 기능을 하는, 히트 파이프의 제1 섹션은 하프 파이프(harp pipe)(430)로 도시되어 있으며, 집열기의 흡수판(406)에 열적으로 결합되어 있다. 하프 파이프 용어는, 증발기의 상부 및 하부 사이에 단일 유동경로(single flow path)보다 더 많은 유동경로가 있음을 나타내기 위해 사용되었다. 그러나 설명의 명료함을 위해 하프 파이프란 용어를 사용하는 것이 단일의 유동경로를 사용하는 것 및/또는 특정 애플리케이션에 따라 여타의 히트 파이프 형태를 사용하는 옵션을 배제해서는 안 된다. 이 실시 예에서 중요한 특징은, 히트 파이프 증발기(430)가 집열기의 1차적 열전달 루프(420)와는 독립적인 구조라는 것이다. 콘데서(434)로서 기능을 하는, 히트 파이프의 제2 섹션은, 주위 환경과 열적으로 결합된 라디에이터(radiator)(또는 구불구불한 파이프와 같은 여타의 편리한 형태)이다. 본 도면에서, 콘덴서는 집열기의 알루미늄 케이스 외부에 있다. 이는 열전달 효율에 있어서 이점이 있다. 하지만, 콘덴서가 집열기 내부에 있으면서 주위 환경과 열 접촉이 되도록, 콘덴서를 집열기의 알루미늄 케이스 내부 그러나 집열기 단열재(407)의 바깥에 설치하는(438로 도시된 바와 같은) 옵션을 배제하는 것은 아니다. 콘덴서 유입 연결부(432)들은 증발기를 콘덴서에 연결하고, 콘덴서 유출 연결부(436)들은 콘덴서를 증발기에 연결해준다.
현 도면에서, 콘덴서(434)(또는 대안적으로 438)는 주위 환경에 직접적으로 결합되는 것으로 되어 있다. 그러나 집열기의 프레임(402)과 같은 히트싱크(heat sink)를 통해 열적 결합하는 것과 같은,, 유체가 주위 환경에 열적 결합하기 위한 여타의 메커니즘도 가능하다. 다른 옵션은, 열적으로 차단 상태에서 결합 상태로 갑작스런 전이를 일으키기 위해 써머스태틱 밸브(thermostatic valve)를 추가하는 것이다.
도 5a 및 도 5b를 참조하면, 이들 도면은 제각기, 응축된 유체가 증발기로 배출(drain back)되는 것을 확실하게 하기 위해, 약간 경사져있는 콘덴서를 지닌 OPD를 가지는 단열처리된 태양열 패널(집열기)(450)에 대한 정면도 및 횡단면도이다. 이 대안적이고 예시적인 실시 예에서, 콘덴서(434)는, 핀 파이프(finned pipe)를 가진 경사진 콘덴서(534)로 실행되었으며, 응축된 유체가 증발기로 배출되는 것을 확실히 하기 위해 약간 경사져 있다.
본 발명의 혁신적이고 중요한 특징은, OPD가 집열기 내부와 주위 환경 사이에 열적으로 차단상태로부터 열적으로 결합상태로 전환되는 온도인 전이온도 T0를 제작 시에 사전세팅(preset)하거나 필드에서 세팅할 수 있다는 것이다. 이러한 특징은 중요한데, 왜냐하면 서로 다른 태양열 애플리케이션들은 서로 다른 공급온도들을 요구하며, 서로 다른 집열기 구조들은 서로 다른 손상 임계 온도들(damage threshold temperatures)을 가질 수 있기 때문이다. T0 에 대한 바람직한 변경가능성(desired configurability)은 다양한 다른 방법들에 의해 이루어질 수 있는데, 이에 대해선 아래에서 설명될 것이다. 열적 차단상태로부터 열적 결합상태로 전이를 위해 잘 규정된 임계 온도를 가지는 것에 대한 중요한 이유는, T0 아래에서 전환 효율(conversion efficiency) 면에서의 태양열 집열기의 성능이, 과열방지 장치를 통한 기생 열손실(parasitic heat loss)에 의해 타협되지 않도록 하는 것을 확실히 하기 위해서이다.
이중유체 히트 파이프의 혁신적 사용( INNOVATIVE USE OF A DUAL - FLUID HEAT PIPE)
종래의 관행으로는 히트 파이프에 열전달 유체를 주입하기 전에 히트 파이프를 비운다. 현재 필드에서의 노력은, 히트 파이프 내에 오로지 한 가지 유체만 존재하도록 하고, 히트 파이프의 튼튼함과 수명을 연장시켜 어떤 다른 유체(액체 및 기체 포함)가 히트 파이프 속으로 새어 들어가지 않도록 하는 데 초점을 맞추고 있다. 이제 기술되는 히트 파이프의 혁신적인 사용에는 주변 온도 및 압력 상태에서 히트 파이프를 채우는 것이 포함된다. 다시 말하자면, 전통적인 기술과는 대조적으로, 히트 파이프는 열전달 유체로 채워지기 전에 비워질 필요가 없다는 것이다. 예를 들면, 히트 파이프는 증발기 높이의 80% 까지 열전달 유체로 채워지고, 히트 파이프 내의 남아있는 공기가 증발기, 콘덴서 및 연결 부분들의 잔여 부분들을 채워지게 된다. 이리하여 히트 파이프 유체는 공기 및 물과 같은 이중의 구성물을 가지게 된다.
명료함을 위해, 예시적인 실시 예들에서 일반적으로 히트 파이프의 부품들로서 증발기 및 콘덴서를 사용하는 것으로 기술된다. 일반적으로 히트 파이프는 위킹 메커니즘(wicking mechanism)을 포함하여, 콘덴서 부분으로부터 응축된 액체가 증발기 부분으로 복귀하는 것을 용이하게 해준다. 본 명세서에서 히트 파이프의 사용은 본 발명을, 히트 파이프를 기초로 하는 실행들에 국한시키는 것은 아니며, 위킹 메커니즘이 없는 다른 실행들이 과열방지 장치를 제공하는 데 있어 성공적임을 보여주었다.
본 명세서에서 "이중유체 열전달 유체" 또는 간단히 "이중유체"란 용어는 일반적으로 열을 전달하도록 구성된 적어도 두 가지 유체들의 조합을 의미한다. 본 명세서에서 "유체"란 용어는, 유동할 수 있는 액체 또는 기체와 같은 물질을 의미한다. 유체는, 유체가 담겨 있는 용기에 따라 그 형상이 변할 수 있다. "이중유체"란 용어는, 함께 사용되고 및/또는 사용 중에 서로에 대해 영향을 끼치는 둘 또는 그 이상의 유체를 의미한다. "액체" 및 "액체상태"란 용어들은 일반적으로, 그 분자들 사이에서 자유로이 움직이지만 기체 분자들 같이 분리되는 경향이 없는 분자들로 구성된 물질, 즉 기체도 아니고 고체도 아닌 물질을 의미한다. "기체" 및 "기체상태"란 용어들은 일반적으로, 물질이 형상 변화에 대해 저항하지 않고 임의의 용기를 채우게끔 무한히 확장하려고 하는 물리적 상태에 있는 물질을 의미한다.
본 명세서에서 "열전달" 및 "열을 전달하는 것"이란 용어는 일반적으로, 기생 열손실과는 달리 주어진 양 이상의 상당한 양의 열을 전달하는 것을 의미한다. 이 주어진 양의 열전달은 중요한 것인데, 이는 애플리케이션에 따라 달라질 것이다. 열전도가 없는 상태에서 기생 열손실이 발생할 수 있어서 주어진 양보다 적은 양의 열전달이 초래될 수 있다. 이중유체는, 열적으로 차단하는 상태로부터 열적으로 결합하는 상태로 전이를 위해, 전이온도로도 알려진 임계 온도 T0 를 가지고 설계되어, T0 아래에서는 전환효율 측면에서 OPD의 성능이, OPD 구조물을 통한 기생 열손실에 의해 타협되지 않도록 하는 것이 바람직하다.
설명의 명료함을 위해 전이온도 T0 가 단수형으로 기술되었는데, 당업자라면, 전이온도가 이론적 전이온도 부근 범주 내에서 변할 것임을 잘 알 것이다. 이러한 범위는 OPD의 특정 실행을 기초로 하여 계산될 수 있으며, 여기서 기술된 시스템 작동에 이득을 주기 위해 설계자들 및 조율자들(tuners)에 의해 활용될 수 있다. 여기서 기술된 변경들의 변형들 및 조합들이 당업자에 의해, 청구되는 OPD의 실행을 위해 단독적으로 또는 다양한 전이온도들과의 조합으로 활용될 수 있을 것이다.
본 명세서에서 "열 접촉"이란 용어는 일반적으로, 두 대상물 사이에 열이 교환될 수 있도록 두 대상물이 서로에 대해 상대적으로 구성된 것을 의미한다. 이와 반대로, "열적 차단"이란 용어는 일반적으로, 영역들 사이에서 열 교환이 실질적으로 제로 또는 최소한의 기생적 교환(parastic exchange)과 동일한 영역들을 의미한다.
본 명세서에서 "내부 압력"이란 용어는 일반적으로, OPD 내부의 유체들에 기인하는 압력을 의미하고, 특히 증발기 부분 및 콘덴서 부분을 포함하여 비워지거나 비워지지 않은 히트 파이프 내부의 하나 이상의 유체들에 기인하는 압력을 의미한다. "주변 압력"이란 용어는 일반적으로, OPD 외부의 압력을 의미하고, 특히 히트 파이프 순환 시스템의 외부, 증발기 및 콘덴서 외부의 압력을 의미한다. 태양열 집열기가 지구의 대기 상태에서 사용되는 통상적인 경우(우주 기반의 애플리케이션 등에 반해서), 주변압력은 대기압이며, 용어 "주변" 및 "대기"는 서로 호환성 있게 사용될 수 있다.
이러한 이중유체 열전달 유체 구성의 효과는, 집열기 내부 온도 및 태양의 방사조도 레벨의 함수로서의 히트 파이프 내측의 내부 압력증가를 실질적으로 억제한다는 것이다. 내부 압력을 주변 압력 근처로 유지함으로써, 전이온도 T0 는 이중유체의 액체 구성물의 대기압 비등점 근처로 유지될 것이다. 비록 이중유체 히트 파이프 내부 압력은, 비워진 히트 파이프 경우에 비해서 온도 및 태양의 방사조도에 따라 훨씬 더 천천히 증가하겠지만, 그렇더라도 내부 압력은 약한 포지티브 상관성(weak positive dependence)을 보여줄 것이다. 이러한 잔류 내부 압력이 내부 온도 및 방사조도에 따라 증가하는 속도는, 컨트롤 될 수 있는 다수의 시스템 파라미터들에 따라 달라진다. 예를 들면, 기체 체적에 대한 액체 체적의 비율이 낮을수록, 내부 압력이 온도 및 방사조도에 따라 상승하는 상관성은 약해진다.
일반적으로, 본 명세서에서 과열방지 장치(overheat protection device, OPD)로도 칭해지는 과열방지를 위한 장치(apparatus for overheat protection)는 히트 파이프에 기반을 두고 있다. 히트 파이프는, 적어도 두 가지 유체를 담고 있는 증발기를 포함하며, 이 유체들의 조합은 이중유체 열전달 유체로서 열을 전달하게끔 구성되어 있다. 콘덴서는 증발기에 선택적으로 연결된다. 열전도가 없는 상태에서, 증발기에서의 온도는 전이온도보다 낮고, 이중유체는 적어도 하나의 액체상태의 유체 및 적어도 하나의 기체상태인 유체를 포함한다. 열전도 상태에서는, 증발기에서의 온도가 사전규정된 전이온도보다 높고, 이중유체는 열을 증발기로부터 콘덴서로 전달한다.
이러한 OPD는 태양열 집열기들과 관련이 되든 안 되든 여러 가지 애플리케이션에 사용될 수 있다. 태양열 집열기와 같이 사용될 때 증발기는 흡수기와 열 접촉하고, 콘덴서는 태양열 집열기의 외부 주위 환경과 열 접촉한다. OPD는 특히 태양열 집열기가 단열처리된 쏠라 패널일 때 유용하다. 이중유체는, 증발기를 콘덴서로부터 열적으로 차단하는 상태에서, 증발기를 콘덴서에 열적으로 결합하는 상태로의 급작스런 전이를 갖도록 구성되는 것이 바람직하다. 본 명세서에서 "급작스런 전이"란 용어는 일반적으로, 섭씨 약 10도의 통상적인 "활성 범위" 내에서 일어나는 전이를 의미한다. 다시 말하면, 급작스런 전이는, T0 의 주변에서 일어나는데, 여기서 유체는 열적 차단으로부터 열적 결합으로 전이된다. 상술한 바와 같이 전이온도는 실제로는 "전이온도 범위"가 되며, 따라서 "급작스런 전이"란 용어는 "전이온도 범위"가 "활성 범위" 내에 있는 것을 의미한다. 특정 애플리케이션에 따라, 통상적인 섭씨 10도의 활성 범위의 예와 다른 활성 범위가 바람직할 수 있다. 이러한 설명을 바탕으로 당업자는 특정 애플리케이션에 대한 특정의 활성 범위를 선택할 수 있을 것이다. 전이온도를 튜닝(tuning)하는 것은 본 실시 예의 한 특징인데, 이에 대해선 아래에서 더 설명될 것이다.
전이온도의 조절( ADJUSTING THE TRANSITION TEMPERATURE )
기체 체적에 대한 액체 체적의 비율은 제작 시 또는 설치 시에 시스템을 구성함으로써 컨트롤 될 수 있는데, 이로써 특정의 설치 및/또는 애플리케이션을 위한 OPD의 전이온도 T0 를 튜닝한다. 전이온도는 제작 시 또는 필드에서 작동 시, 다음들을 포함하는 기술에 의해 세팅될 수 있다.
- 증발기의 액체 주입 비율의 변경.
- 콘덴서 체적의 변경,
- 액체 또는 기체 구성물의 변경.
- 시스템의 내부 압력의 변경. 및
- 팽창 볼륨의 추가.
전이온도가 장치의 작동 전에 사전규정된 경우에, OPD는 제작 시, 배치 전 및/또는 배치 후에 세팅될 수 있다. 또한, 전이온도는 장치를 작동시작한 후에 제2 전이온도로 조절될 수도 있다.
OPD는 특정 애플리케이션 및 설치 시의 세부사항에 따라 한번 이상 세팅 또는 튜닝될 수 있음을 유념해주길 바란다. 비제한적인 예로서, 하나의 OPD가 작동 전에 초기 전이온도로 세팅되고, OPD의 작동상태를 관찰한 후에 다른 전이온도가 필요하게 되면, 다른 전이온도를 얻기 위해, 여기서 기술된 바와 같이, 시스템의 하나 이상의 컴포넌트들에게 하나 이상의 변경이 가해진다. 다른 비제한적인 예로서, 태양열 집열기의 수명기간 동안, 집열기의 노후화된 컴포넌트들의 내부 온도를 제한하고 집열기 수명을 연장하기 위해 전이온도를 낮추는 것이 바람직할 수 있다.
이중유체 구성 히트 파이프의 설계에 있어 한 가지 자유도(a degree of freedom)는 증발기의 액체 주입 비율을 변경하는 것이다. 하나의 변경은, 히트 파이프의 유체 내용물의 조합을 조절하는 것이다. 다시 말해서, 이중유체 열전달 유체 내 적어도 두 가지 유체들의 비율을 변경하는 것이다. 전이온도는 이중유체의 구성물 및/또는 비율을 변경함으로써 조절될 수 있다. 또 다른 선택적인 변경사항은, 장치 내 이중유체의 양을 변경하는 것이다. 유체 구성물 조합들에 대한 비 포괄적인 리스트에는 다음과 같은 것들이 포함된다.
- 공기/물
- 공기/글리콜/물
- 아르곤/물,
- 아르곤/글리콜/물,
- 질소/물,
- 질소/글리콜/물
한 이중유체를 사용하는 비제한적인 예로서 공기/글리콜/물 조합이 있다. 에틸렌(또는 프로필렌) 글리콜/물의 용액은 넓은 범위의 비율에 걸쳐 변화할 수 있다. 이는, 글리콜/물의 비율이 장치의 전이온도 T0 를 변경하기 위해 사용되는 실시 예를, 흡수판 및 주위 환경 사이에 열적 차단으로부터 열적 결합으로 되는 것을 용이하게 함에 있어 중요하다. 글리콜/물 혼합물의 비등점은 구성에 따라 달라진다. 도 7을 참조하면, 글리콜의 중량 백분율(%EG)을 기초로, 글리콜/물 이중유체에 대한 대기압에서의 비등점을 섭씨 온도로 보여주는 차트가 도시되어 있다.
이중유체의 액체 구성물로 글리콜/물 혼합물을 사용하는 것의 추가적이고 비자명한(non-obvious) 특징은, 순수 물(열전달 유체로 물만 사용)에 비해 비등점 아래에서 증기압이 감소하는 것이다. 이것은 중요한 사항인데, 왜냐하면 글리콜/물 혼합물을 사용하는 것은 전이온도 T0 아래에서 과열방지 장치에 의한 잔여 기생 열전달을 감소시켜주기 때문이다. 공기가 있는 상태에서의 에틸렌 글리콜은 써멀 사이클링(thermal cycling)의 결과로 품질이 떨어질 수 있다. 따라서 안정화 첨가제(stabilizing additive)를 첨가하는 것도 하나의 옵션이다.
이중유체 구성 히트 파이프의 설계에 있어 다른 자유도는 OPD 컴포넌트들의 체적을 변경하는 것이다. 비제한적으로 콘덴서 체적을 변경하는 것과 증발기 체적을 변경하는 것을 포함하는, OPD 컴포넌트들의 체적을 변경하는 것에 의해 전이온도가 조절될 수 있다. 다양한 자유도를 가짐으로써, 전이온도의 컨트롤이 가능해진다. 흡수판이 전이온도에 도달 및 초과할 때 열전달 메커니즘이 흡수판의 전 높이에 걸쳐 작동하는 것을 확실히 하기 위해, 증발기를 가능한 한 높이 채우는 것이 바람직하다.
유체가 도달하게 되는 높이는 또한, 집열기가 경사지는 각도의 함수이며, 여름철 또는 겨울철에 대한 최적화 및 위도에 따라 종종 변하게 된다. 이러한 경사지는 각도는, 전이온도에 영향을 주는, 액체 대 공기의 비율을 제한할 수 있다. 따라서 액체 구성물을 변경하거나 팽창 볼륨을 추가하는 옵션이 바람직할 수 있다.
이중유체 구성 히트 파이프의 설계에 있어 또 다른 자유도는 OPD 내부 압력을 변경하는 것이다. 전이온도는, OPD 제작 시나, 설치 시나, 작동 개시 후 및/또는 이들 시점의 조합에서 OPD의 내부 압력을 변경함으로써 조절할 수 있다. 대기압에 대해 OPD의 내부 압력을 증가 또는 감소시키면, 이중유체의 전이온도가 높아지거나 낮아진다.
팽창 볼륨( EXPANSION VOLUME )
도 6a 및 도 6b를 참조하면, 도 6a 및 도 6b에는 제각기, 팽창 볼륨(600)을 포함한 OPD를 지닌 집열기 설계의 비제한적인 예시에 대한 정면도 및 횡단면도가 도시되어 있다. 팽창 볼륨의 목적은, 집열기 내부가 전이온도 T0 에 근접하게 되면 기체 상태인 이중유체 부분이 콘덴서로부터 빠져나가고 증기가 콘덴서로 들어올 수 있게 하는 것이다. 태양열 패널의 내부에서의 온도가 증가하고 따라서 증발기에서의 온도가 증가하여 전이온도에 근접함에 따라, 히트 파이프의 내부 압력은 증가하기 시작하고, 이중유체의 일부분은 끓어서 액체상태에서 기체상태로 전이하기 시작한다. 내부 압력을 일 기압(대기압이 주변 압력인 상태임) 근처로 유지하는 것은, 특정의 바람직한 전이온도를 유지하는 것을 도와준다. 팽창 볼륨의 추가는, 비등하는 액체로부터 나오는 증기 또는 기체가 흘러들어갈 수 있는 용기를 제공해줌으로써, 온도가 증가하기 시작할 때 내부 압력을 거의 주변 압력으로 유지해준다. 팽창 볼륨은 내부 압력의 변동들을 완화시켜 줌으로써 전이온도의 컨트롤을 도와준다.
잘 알려진 이상기체법칙과 관련하여 OPD의 콘덴서 부분의 작동을 간단하게 정리해보자.
PV = nRT, 여기서 P는 압력, V는 체적, n은 기체의 물질량, R은 이상 또는 보편기체 상수, T는 온도이다. OPD가 고정된 체적을 지니고 있는 경우, 증발기에서의 온도가 증가하고 증기가 콘덴서에 들어옴에 따라, 콘덴서 내의 압력은 증가하게 된다. 콘덴서 내의 이중유체의 기체 부분의 증가한 압력은 이중유체의 액체부분에 증가한 압력을 가하게 된다. 이 증가한 압력은 액체 부분의 전이온도를 상승시키고 압력과 온도 사이에는 비교적 강한 상관성(종속관계)이 형성된다. 그러나 팽창 볼륨의 추가는, 그 속으로 팽창할 수 있는 추가적인 체적을 제공함으로써, 콘덴서 내 이중유체의 기체 부분의 압력 증가를 느리게 할 것이다. 이것은 보편기체법칙으로부터
Figure pct00001
, 즉 온도에 대한 압력 증가비율은 체적에 반비례한다는 것으로부터 이해될 수 있을 것이다. 이리하여, 압력과 온도 사이의 상관성은, 팽창 볼륨이 없는 시스템에 비해 약해질 것이다.
팽창 볼륨의 체적, 위치, 재질 및 구조는 OPD의 작동 및 설치 조건들에 따라 달라진다. 팽창 볼륨은 강성의 재질로 만들어질 수 있으며, 또는 신축성 있는 주머니와 같은 변형가능한 재질로 만들어질 수 있다. 강성의 팽창 볼륨에 반하여, 신축성 있는 주머니는 OPD 내부의 압력에 따라 팽창 및 수축될 수 있어서, 내부 압력 변동을 완화시켜 줌으로써 전이온도 컨트롤을 더욱 도와준다. 신축성 있는 주머니의 팽창 및 수축은, 히트 파이프 내부의 압력이 주변과 근접하게 유지되는 온도의 범위를 확장시킬 수 있으며, 실제로, 넓은 범주의 온도에 걸쳐서 거의 일정한 주변의 내부 압력을 보장해줄 수 있다.
만일 팽창 볼륨이 주위 환경과 열적 접촉하는 위치에 놓인다면, 또 다른 가능성으로, 팽창 볼륨 내의 증기가 열을 주위 환경으로 흘릴 수(전달할 수) 있어서, 증기의 온도가 감소할 수 있다. 이러한 경우 냉각 증기의 일부는 팽창 볼륨 내에서 응축되어 액체상태로 복귀될 수 있다. 팽창 볼륨 내에 액체의 가능성을 고려해볼 때, 바람직하게는, 팽창 볼륨 내에서 응축되는 잔류 액체가 증발기로 확실하게 배출될 수 있게끔 팽창 볼륨이 구성되어야 한다. 현 도면들에서 팽창 볼륨(600)은 콘덴서의 옆 및 상부에 도시되어 있는데, 이들 도면들에 있어서, 팽창 볼륨은 증발기 위에 위치하기 때문에 응축된 액체가 증발기로 배출될 수 있도록 해준다.
팽창 볼륨(600)은 OPD에, 콘덴서의 측면과 같은 다른 위치(미 도시)에 추가될 수 있다. 다른 애플리케이션들(미 도시)에서는 팽창 볼륨이 증발기 측면에 위치한다. 팽창 볼륨은 콘덴서 또는 증발기에 기능적으로 연결될 수 있다. 이러한 설명을 바탕으로 당업자는 특정 애플리케이션에 적합한 팽창 볼륨에 대한 위치를 선택할 수 있을 것이다.
일반적으로 OPD 장치는, 기능적으로 히트 파이프에 연결되는 팽창 볼륨을 더 포함할 수 있다. 증발기에서의 온도가 전이온도에 근접함에 따라 이중유체의 일부분은 히트 파이프로부터 팽창 볼륨으로 흐르게 된다. 이로써, 히트 파이프의 내부 압력이 주변 압력 근처의 주어진 범위 내에 유지되게 되는 온도의 범위가 연장된다.
통상적으로 이중유체의 기체 부분은 공기이며, 본 명세서에서의 "팽창 볼륨"은 "공기 팽창 볼륨"으로도 칭해지기도 한다. 이중유체 열전달 유체 내 유체들 중 하나로서 공기를 언급하고 사용한다고 해서, 이를 공기로 국한되는 것으로 여겨져서는 안 된다. 위에서 언급한 바와 같이, 아르곤 및 질소와 같은 여타의 유체들이 사용될 수도 있다.
도 10을 참조하면, 이중유체 OPD의 작동 중의 온도에 대한 그래프가 도시되어 있다. 수직축은 섭씨 온도를 나타내고, 수평축은 하루 중의 시간을 나타낸다. 태양열 집열기가 태양 방사(태양)에 현저하게 노출되는 것은 아침 11시경에 시작해서 오후 시간대를 통해 계속된다. 그래프에서 보다시피, 집열기가 태양광선에 노출됨에 따라 흡수기의 온도(사각형 점들)가 상승하기 시작한다. 이에 부응하여, 증발기의 온도("x" 점들)가 시간차를 두고 상승하기 시작한다. OPD는 활성화되지 않고, 콘덴서에서의 온도(유입구 및 유출구)는 안정적으로 유지되고 있다(주위 환경 온도보다는 약간 높은 섭씨 약 35도 정도).
대략 12시 45분경 증발기의 온도가 OPD의 전이온도(이 경우 섭씨 100도)에 근접하게 되면, OPD는 활성화되고 콘덴서의 유입구에서의 온도(삼각형 점들)가 상승하기 시작한다.
OPD 작동 중(1시 이후)에 태양열 집열기는 계속 작동한다. 이 경우에 있어서, 흡수기에서의 온도는 약 섭씨 165도 정도에서 안정되어, 집열기의 내부 온도를 스태그네이션 온도(stagnation temperature) 아래로 유지하고, 집열기 컴포넌트들이 과열되는 것을 방지해준다. 증발기의 온도 및 이에 대응하는 콘덴서 유입구의 온도는 제각기 섭씨 약 110도 및 약 105도로 안정된다. 콘덴서로부터 증발기로 회수되는 응축된 액체의 온도는 콘덴서 유출구 온도(원형 점들)로 도시되었는데, 이 온도는 주위 환경 온도보다 약간 높은 정도에서 안정적으로 유지되고 있다.
저장 콜렉터에 통합된 과열방지 장치( OPD INTERGRATED WITH STORAGE COLLECTOR )
상술한 바와 같은 태양열 집열기들은 일반적으로 원격 저장 탱크(remote storage tank)와 함께 연계되어 사용되는데, 저장 탱크를 태양열 집열기 근처에 통합시킬 필요도 있다. 저장 탱크 또는 저장 콜렉터(storge collector)는, 애플리케이션에 의해 차후에 사용되기 위한 잉여의 열을 저장하는 통합된 해결책을 제공해준다. 저장 탱크를 태양열 집열기 근처에 배치하는 것은 공지된 내용인데, 여기서 근처라는 것은 일반적으로, 애플리케이션이 있는 장소에 배치되는 원격 저장 탱크와는 대조적으로, 태양열 집열기가 있는 장소에 배치되는 것을 의미한다. 저장 콜렉터를 태양열 집열기 근처에 배치하는 전통적인 배치의 한 일반적인 실행은, 가정용 애플리케이션을 위한 온수를 공급하기 위한 것이다. 전통적인 저장 콜렉터들에 있어서 담수(fresh water)가 사용되며(보통 가압이 됨), 담수는 즉각적으로 사용될 수 있도록 쉽게 구해질 수가 있다.
혁신적인 실시 예에서, 가정용 온수와 같은 애플리케이션들을 위해, 가압되지 않은 이너트(inert) 저장 탱크가 열을 저장하기 위해 사용되고, 에너지를 저장 탱크로 순환시키기 위해 하프(harp)(또는 여타의 형태)와 같은 가압된 "열교환기"가 사용된다. 이 실시 예의 바람직하고 선택적인 특징은, 혁신적으로 과열방지 장치를 저장 콜렉터 속으로 통합시키는 것이다.
도 8a 및 도 8b를 참조하면, 저장 콜렉터로서 기능을 하는 통합된 과열방지 장치를 지닌 태양열 집열기에 대한 정면도 및 횡단면도가 제각기 도시되어 있는데, 저장 콜렉터(800)는 단열처리된 쏠라 패널(450) 내부에 배치되고, 흡수기(406)와 열 접촉하는 상태이다. 이 실행에 있어서, 저장 콜렉터(800)는 순환 파이프(430)(도 4 참조)를 대신한다.
저장 콜렉터(800)를 단열처리된 쏠라 패널(450) 내부에 배치함으로써, 저장 콜렉터는 투명 단열재(404)에 의해 보호되며, 이로써 대류를 통한 주위 환경으로의 열손실이 감소하여 전체적인 집열기 효과가 향상된다. 이 실시 예에서 저장 볼륨(storage volume)은, 과열방지 장치를 위한 증발기(이전 도면들에서 요소 430)로서의 역할도 수행하면서 집열기 내에서 이중 역할을 수행한다. 앞에서 기술한 실시 예들에서 통상적인 증발기 형태는 0.1리터 내지 10리터의 액체(이중유체 열전달 유체의 한 부분으로서)를 포함할 수 있다. 증발기를 열의 저장을 위해(저장 콜렉터로서) 사용하는 현 실시 예에서, 증발기는 10리터 내지 200리터의 액체를 포함할 수 있다.
앞에서 기술한 집열기 구조에서와 같이, 과열방지 장치는 1차적 열전달 루프(primary heat transfer loop)(420)(애플리케이션으로 열을 전달함)와는 독립적인 루프 히트 파이프로 기능을 한다. 그러나 현 구조에서 증발기는, 위에서 규정된, 임의의 선택된 이중유체 조합들로 채워질 수 있는 열 저장 볼륨(heat stroge volume)이기도 하다. 더욱이 증발기(800)는 1차적 열전달 루프(420)와 물리적으로 분리되어 있어서, 저장 유체 또한 상변화물질(phase change material)이 될 수 있다. 또한 위의 구조에서와 같이, 저장 콜렉터 과열방지 장치는, 핀 파이프 콘덴서(534) 또는 팽창 볼륨(600)과 같은 특징부들이 추가되면서 증대될 수 있다.
또한 저장 콜렉터에는, 팽창 백(expansion bag)(802)이 파이핑(808)을 통해 저장 콜렉터(증발기)(800)에 연결설치되고, 팽창 백 커버(expasion bag cover)(804)가 설치되어서, 집열기(450) 내부는 내부 압력을 구축하지 않으면서 밀폐식 밀봉상태(hermetically sealed)로 유지될 수 있다. 팽창 백이 신축성 멤브레인(flexible membrane)인 경우, 전이온도보다 낮은 주변 온도에서 팽창 백은 정상적으로 수축될 수 있다. 흡수기에서의 온도가 상승하여 전이온도에 근접해감에 따라, 저장 콜렉터(800)에서의 온도가 따라서 상승하고, 이중유체의 일부분이 액체상태에서 기체상태로 증발하기 시작한다. 이 기체는 팽창 백(802) 내로 팽창하여 OPD 내부의 압력을 주변 압력으로 안정화시킬 수 있다. 이리하여, 태양열 집열기 내부 온도가 상승할 때 이중유체의 전이온도가 안정화될 수 있다. 이러한 설명을 기초로, 당업자는 저장 콜렉터(증발기)(800)로부터 팽창 백(802)으로의 연결 및 위치를 선택할 수 있을 것이다.
단열처리된 스퀴즈 밸브( INSULATED SQUEEZE VALVE )
상술한 장치 및 옵션들은 과열방지 장치(OPD)를 제공하는 데 있어 매우 효과적이다. 혁신적인 스퀴즈 밸브의 사용은, 주변 온도에서 주변 압력보다 낮은 내부 압력을 지닌 시스템 및 비워진 히트 파이프를 포함하는 실행들에 있어서 추가적인 효율성을 제공해준다. 명료함을 위해, 스퀴즈 밸브의 실행은, 도 4를 참조로 일반적으로 위에서 일반적으로 기술된 바와 같은 태양열 집열기와 조합하여 기술될 것이다. 본 설명은 이 실행을 제한하는 것은 아니며, 단열처리된 쏠라 패널들과, 다른 압력 상태에서 작동 시에 일부분을 분리하여 이점을 얻을 수 있는 여타의 장치들과 함께 실행될 수도 있다.
도 9를 참조하면, OPD 내에서 열적 차단을 위해 스퀴즈 밸브를 사용하는 예시적인 실행에 대한 다이어그램이 도시되어 있다. 증발기(430)로서의 기능을 하는 히트 파이프의 제1 섹션(first section)은 구불구불한 파이프로, 집열기의 흡수판(406)에 열적으로 결합되어 있다. 콘덴서(434)로서의 기능을 하는 히트 파이프의 제2 섹션은 구불구불한 파이프로(또는 여타의 편리한 형태로), 대기에 열적으로 결합되어 있다. 비록 본 도면상에는 구불구불한 파이프로 도시되어 있지만, 당업자는, 특정의 애플리케이션에 따라 다양한 콘덴서들 및/또는 증발기들이 사용될 수 있음을 알 것이다. 선택적인 실행에서, 콘덴서 섹션은 히트 싱크(heat sink)를 포함한다.
명료함을 위해, 증발기의 상단부로부터는, 증발된 유체 증기가 증발기(430)를 빠져나와 콘덴서(434)로 향하는데, 이를 "출구(exit)"(902)라 칭한다. 증발기의 하단부로는, 콘덴서로부터 응축된 유체가 증발기로 회수되는데, 이를 "반입구(return)"(904)라 칭한다. 콘덴서의 상단부로는, 증발기(430)로부터 증발된 유체 증기가 콘덴서로 들어오는데, 이를 "유입구(input)"(906)라 칭한다. 콘덴서의 하단부로부터는, 응축된 유체가 콘덴서를 빠져나와 증발기로 회수되는데, 이를 "유출구(output)"(908)라 칭한다.
출구(증발기 상단부)(902)는 제1 신축성 파이핑 가닥(910)에 의해, 강성이면서 바람직하게는 열전도성인 파이프로 연결되고, 콘덴서 섹션의 유입구(유입구/하부 단부)(906)에 연결된다. 신축성 파이핑 가닥의 길이는, 증발기, 콘덴서 내의 파이핑 가닥들 및 연결 파이프들(전도성 및 비전도성)의 길이들에 비해 통상적으로 짧다. 신축성 파이핑 가닥의 구체적인 길이는 애플리케이션, 사용된 튜브의 타입, 파이핑의 기계적 특성들에 따라 달라진다. 테플론(Teflon)과 같은 제품이 일반적으로 활용될 수 있는데, 이는 신축성 파이핑 가닥용으로 성공적으로 사용되어 왔다. 본 설명을 기초로 당업자는 신축성 파이핑 가닥에 대한 적절한 재질, 길이, 폭 등을 선택할 수 있을 것이다.
유출구(콘덴서 섹션의 하단부/벌브(bulb))(908)는 강성이면서 바람직하게는 열전도성의 파이프에 의해, 그리고 제2의(추가적인) 짧은 신축성 파이핑 가닥(912)을 거쳐 반입구(증발기 섹션의 저부/벌브)(904)에 다시 연결된다.
현재 설명된 실행에서는, 증발기와 콘덴서 사이 각 연결부에 하나씩 두 개의 신축성 파이핑 가닥(910, 912)이 포함되었지만, 일반적인 실행들에 있어서는 하나 이상의 신축성 파이핑 가닥이 포함될 수 있다. 예를 들면, 루프(loop)가 아닌 히트 파이프에선 증발기와 콘덴서 사이에 하나의 신축성 파이핑 가닥이 사용되고, 단일 루프 히트 파이프(증발기와 콘덴서 사이에 단일 루프가 형성)에서는, 증발기의 출구, 반입구에(또는 동등하게 콘덴서의 유입구, 유출구에) 단일의 신축성 파이핑 가닥이 사용될 수 있다. 증발기와 콘덴서 사이에 둘 이상의 연결부가 존재하는 경우에는, 각각의 연결부가 하나의 신축성 파이핑 가닥을 포함할 수 있다.
밀폐된 루프의 히트 파이프는 열전달 유체를 주입하기 전에 비워진다. 결과적으로, 히트 파이프의 내부 압력은 오로지 기체-액체 평형(vapor/liquid equilibrium)의 분압(partial pressure)에 따른다. 온도가 열전달 유체의 비등점 아래이면, 열전달 유체의 분압은 대기압 아래일 것이다. 즉 콘덴서 및 증발기 섹션들의 내부 압력은 열전달 유체의 증기압과 동일할 것이다. 그러므로 이 내부 압력은, 유체의 증기압이 온도에 따라 변하는 것과 같이 정확하게 온도에 따라 변할 것이다. 이러한 특징은 중요한 기능적 의미를 지니는데, 이에 대해선 아래에서 설명될 것이다.
상기 하나 이상의 신축성 파이핑 가닥은 열적으로 단열 되는 것이 바람직하다. 다시 말하자면, 신축성 파이핑 가닥들은 비열전도성 재질로 제작되어, 증발기 섹션의 열전도성 파이핑을 콘덴서 섹션의 열전도성 파이핑으로부터 열적으로 단열시키는데 공헌하도록 한다.
하나 이상의 단열성 신축성 파이핑 가닥은 복합적 역활들을 수행한다. 첫째로, 단열성 신축성 파이핑 가닥은 열전달 장벽으로 작용하여, 증발기 및 콘덴서 사이를 연결해주는 강성의(열전도성의) 파이핑 섹션들이, 파이프 내를 흐르는 유체의 상태와 무관하게, 전이온도 T0 아래의 온도에서, 파이프 자체를 통해 흡수기로부터 열을 멀리 전도하지 않을 수 있다. 둘째로, 신축성 파이핑 가닥은 신축력이 있으므로, 신축성 파이핑 가닥은 압력작동식(pressure activated) "스퀴즈 밸브"로 작용하여서, 히트 파이프의 내부 압력이 주변 압력보다 낮을 때는 신축성 파이핑 가닥이 제1 상태인 붕괴상태(collapsed state)로 되고, 이 압력 유도된(pressure induced) 신축성 파이핑 가닥의 붕괴 때문에 열전달 유체의 흐름이 억제된다. 히트 파이프 내의 압력이 주변 압력에 도달하면, 신축성 파이핑 가닥이 팽창하여 제2 상태인 팽창상태(expanded state)로 되어서, 증기 상태의 열전달 유체가 증발기로부터 콘덴서로 이동하고 다시 돌아올 수 있게 된다. 이로써 흡수판과 외부의 주위 환경과는 강한 열적 결합이 이루어질 수 있다. 상술한 바와 같이, 내부 압력은 항상 열전달 유체의 증기압과 동일하고, 유체의 비등점에서 유체의 증기압은 주변 압력과 동일하므로, 전이온도 T0 는 열전달 유체의 주변 압력에서의 비등점이 될 것이다. 즉 T0 ≡ Tb(Patm).
대안적인 실시 예에서, 제2의 짧은 신축성 파이핑 가닥(912)(하부 스퀴즈 밸브)(콘덴서 유출구에서 증발기 반입구로 오는 라인에 있음)는 강성의 그러나 단열성의 파이프 섹션으로 대체된다. 이 경우, 강성의 단열성 파이프 섹션은 열전도의 장벽으로 작용하지만, 흡수판의 온도와는 무관하게 응축액이 중력에 의해 증발기로 반입되는 것을 허용한다. 또한, 유체가 반대방향으로 흐르는 것을 방지하기 위해, 하부 단열성 파이프 섹션의 외측에 일 방향 유동 밸브(one-way flow valve)가 설치될 수도 있다.
일반적으로 과열방지를 위한 장치는, 흡수기와 열전달 메커니즘을 포함하는 태양열 집열기를 포함한다. 열전달 메커니즘은 증발기, 콘덴서 및 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥을 포함한다. 증발기는 출구 및 반입구를 가진다. 증발기는 열전달 유체를 포함하고 흡수기와 열 접촉한다. 콘덴서는 유입구 및 유출구를 가진다. 콘덴서는 태양열 집열기의 외부 주위 환경과 열 접촉한다. 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥은 증발기를 콘덴서에 연결한다. 신축성 파이핑 가닥은 붕괴상태 및 팽창상태의 두 가지 상태를 가지게끔 구성된다. 흡수기에서의 온도가, 내부 압력이 주변 압력보다 낮아지는 상태에 상응하는, 사전규정된 전이온도보다 낮을 때의 붕괴상태에서 신축성 파이핑 가닥은, 열전달 유체가 증발기로부터 콘덴서로 흐르는 것을 막는다. 이로써 증발기를 콘덴서로부터 열적으로 차단하고, 증발기로부터 콘덴서로 열이 전달되지 못하게 한다. 흡수기에서의 온도가, 내부 압력이 주변 압력보다 높아지는 상태에 상응하는, 사전규정된 전이온도보다 높을 때의 팽창상태에서는, 신축성 파이핑 가닥은, 열전달 유체가 증발기로부터 콘덴서로 흐르는 것을 허용한다. 이로써 증발기를 콘덴서에 열적으로 결합하고, 증발기로부터 콘덴서로 열이 전달될 수 있도록 한다.
이러한 스퀴즈 밸브는 전통적인 태양열 집열기 및 단열처리된 쏠라 패널들과 함께 사용될 수 있다. 증발기 섹션은 통상적으로 태양열 집열기 내부에 배치된다. 콘덴서는 태양열 집열기 주위 환경과 열 접촉하면서, 통상적으로 태양열 집열기 외부에 배치되지만, 태양열 집열기 내부에 배치될 수도 있다. 통상적으로 콘덴서는 증발기 위치보다 상대적으로 높은 위치에 배치된다. 통상적으로 콘덴서 유체는 중력의 도움을 받아 증발기로 회수된다.
이 실시 예에 대한 설명을 돕기 위해, 단순화된 계산들을 사용하는 것이 본 발명의 유용성 및 기본적인 장점들을 손상시켜서는 안 된다.
상술한 예시들 및 사용된 숫자들은 실시 예에 대한 설명을 도와주기 위한 것임을 유념해야 하며, 부주의에 의한 오타 및 수학적 실수들이 본 발명의 유용성 및 기본적인 장점들을 손상시켜서는 안 된다.
상술한 내용들은 단지 예시적인 것으로서, 청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 범위 내에서 여타의 많은 실시 예들이 가능할 것이다.

Claims (29)

  1. 과열방지를 위한 장치(an apparatus for overheat protection)로서, 상기 장치는,
    (a) 흡수기(absorber)를 포함하는 태양열 집열기(solar thermal collector); 및
    (b) 히트 파이프(heat pipe);를 포함하며,
    상기 히트 파이프는,
    (i) 적어도 두 가지 유체들을 포함하고 있는 증발기(evaporator)로서, 유체들의 조합(combination of fluids)은 이중유체 열전달 유체(dual-fluid heat transfer fluid)로서 열을 전달하여 상기 증발기를 상기 흡수기와 열 접촉(thermal contact)하게끔 구성된 증발기; 및
    (ii) 상기 증발기에 기능적으로 연결되고(operationally connected), 상기 태양열 집열기의 외부 주위 환경과 열 접촉하는 콘덴서(condenser)를 포함하며,
    열전도가 없는 상태(non-heat conducting state)에서는 상기 증발기에서의 온도가 전이온도(transition temoerature)보다 낮고, 상기 이중유체 열전달 유체는, 액체상태에 있는 적어도 하나의 유체와 기체상태에 있는 적어도 하나의 유체를 포함하며; 열전도 상태(heat conducting state)에서는 상기 증발기에서의 온도가 사전규정된(pre-defined) 전이온도보다 높고, 상기 이중유체 열전달 유체는 열을 상기 증발기로부터 상기 콘덴서로 전달하는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 태양열 집열기는 단열처리된 쏠라 패널(insulated solar panel)인 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 이중유체 열전달 유체는, 상기 증발기를 상기 콘덴서로부터 열적으로 차단하는 상태(state of thermally isolating)에서, 상기 증발기를 상기 콘덴서에 열적으로 결합하는 상태(state of thermal coupling)로의 급작스런 전이(abrupt transition)를 가지게끔 구성되는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 급작스런 전이는 섭씨 10도의 활성 범위(activation range) 내에서 일어나는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 과열방지 장치는,
    (b) 상기 히트 파이프에 기능적으로 연결된 팽창 볼륨(expansion volume)을 더 포함하며,
    상기 온도가 상기 전이온도에 근접함에 따라 상기 이중유체 열전달 유체의 일부가 상기 히트 파이프로부터 상기 팽창 볼륨으로 흐름으로써, 상기 히트 파이프의 내부 압력이 주변 압력 근처의 주어진 범주 내에 잔존하게 되는 온도의 범위를 확장시키는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발기는 부가적으로 열 저장장치(heat storage device)로서의 기능을 하는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  7. 과열방지를 위한 장치로서, 상기 장치는,
    (a) 흡수기를 포함하는 태양열 집열기; 및
    (b) 열전달 메커니즘(heat transfer mechanism);을 포함하며,
    상기 열전달 메커니즘은,
    (i) 출구(exit)와 반입구(return)를 가지고, 열전달 유체를 포함하고, 상기 흡수기와 열 접촉하는 증발기;
    (ii) 유입구(input)와 유출구(output)를 가지고, 상기 태양열 집열기의 외부 주위 환경과 열 접촉하는 콘덴서; 및
    (iii) 상기 증발기를 콘덴서에 연결해주는 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥(at least one length of flexible piping);을 포함하며,
    상기 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥은, (A) 상기 흡수기에서의 온도가, 내부 압력이 주변 압력보다 낮은 상태에 상응하는, 사전규정된 전이온도보다 낮을 때의 붕괴상태(collapsed state)에서는, 상기 열전달 유체가 상기 증발기로부터 상기 콘덴서로 흐르는 것을 막음으로써, 상기 증발기를 상기 콘덴서로부터 열적으로 차단하고, 상기 증발기로부터 상기 콘덴서로 열전달이 일어나지 못하게끔 구성되며, 그리고 (B) 상기 흡수기에서의 온도가, 내부 압력이 주변 압력보다 높은 상태에 상응하는, 상기 사전규정된 전이온도보다 높을 때의 팽창상태(expanded state)에서는, 상기 열전달 유체가 상기 증발기로부터 상기 콘덴서로 흐르는 것을 허용함으로써, 상기 증발기를 상기 콘덴서에 열적으로 결합하고, 상기 증발기로부터 상기 콘덴서로 열전달이 일어날 수 있게끔 구성되는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 태양열 집열기는 단열처리된 쏠라 패널인 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 열전달 유체는 이중유체 열전달 유체인 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 신축성 파이핑 가닥의 적어도 하나는 증발기의 출구를 콘덴서의 유입구에 연결하는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 신축성 파이핑 가닥의 적어도 하나는 콘덴서의 유출구를 증발기의 반입구에 연결하는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 신축성 파이핑 가닥의 적어도 하나는 열적으로 단열하는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  13. 제7항에 있어서,
    상기 증발기는 상기 태양열 집열기의 내부에 있는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  14. 제7항에 있어서,
    상기 콘덴서의 위치는, (a) 상기 태양열 집열기의 외부에, 그리고 (b) 상기 증발기보다 상대적으로 높은 위치에 있는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  15. 제7항에 있어서,
    응축된 액체는 중력의 도움을 받아 상기 콘덴서로부터 상기 증발기로 회수되는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  16. 제7항에 있어서,
    상기 사전규정된 전이온도는 섭씨 98도 내지 108도 범위 내에 있는 것을 특징으로 하는 과열방지 장치.
  17. 과열방지를 위한 방법(a method for overheat protection)으로서, 상기 방법은,
    (a) 태양열 집열기의 흡수기와 열 접촉하며, 적어도 두 가지 유체를 포함하며, 유체들의 조합(combination of fluids)이 이중유체 열전달 유체로서 열을 전달하게끔 구성된 증발기를 배치하는 단계; 및
    (b) 상기 태양열 집열기의 외부 주위 환경과 열 접촉하며, 상기 증발기에 기능적으로 연결된 콘덴서를 배치하는 단계;를 포함하며,
    열전도가 없는 상태에서는 상기 증발기에서의 온도가 전이온도보다 낮고, 상기 이중유체 열전달 유체는 액체상태에 있는 적어도 하나의 유체와 기체상태에 있는 적어도 하나의 유체를 포함하며; 열전도 상태에서는 상기 증발기에서의 온도가 사전규정된 전이온도보다 높고, 상기 이중유체 열전달 유체는 열을 상기 증발기로부터 상기 콘덴서로 전달하는 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 태양열 집열기는 단열처리된 쏠라 패널인 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 이중유체 열전달 유체는, 상기 증발기를 상기 콘덴서로부터 열적으로 차단하는 상태에서, 상기 증발기를 상기 콘덴서에 열적으로 결합하는 상태로의 급작스런 전이를 가지게끔 구성되는 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 급작스런 전이는 섭씨 10도의 활성 범위 내에서 일어나는 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
  21. 제17항에 있어서,
    상기 전이온도는 장치(apparatus)의 작동 전에 사전규정되는 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
  22. 제17항에 있어서,
    상기 전이온도는 장치(apparatus)의 작동 시작 후에 제2 전이온도로 조절되는 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
  23. 제17항에 있어서,
    상기 전이온도는 상기 이중유체 열전달 유체의 구성물을 변경함으로써 조절되며, 상기 구성물은,
    (a) 공기/물,
    (b) 공기/글리콜(glycol)/물,
    (c) 아르곤(argon)/물,
    (d) 아르곤/글리콜/물,
    (e) 질소/물, 및
    (f) 질소/글리콜/물,로 이루어진 군에서 선정되는 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
  24. 제17항에 있어서,
    상기 전이온도는,
    (a) 상기 이중유체 열전달 유체 내의 적어도 두 가지 유체의 비율을 변경,
    (b) 장치(apparatus) 내의 이중유체 열전달 유체의 양을 변경,
    (c) 상기 콘덴서 체적을 변경,
    (d) 상기 증발기 체적을 변경,
    (e) 장치(apparatus)의 내부 압력을 변경, 및
    (f) 상기 콘덴서에 팽창 볼륨을 추가,
    로 이루어진 군에서 선정된 변경에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
  25. 제17항에 있어서,
    (c) 상기 콘덴서에 기능적으로 연결된 팽창 볼륨을 배치하는 단계를 더 포함하며,
    상기 온도가 상기 전이온도에 근접함에 따라 상기 이중유체 열전달 유체의 일부분이 상기 히트 파이프로부터 상기 팽창 볼륨으로 흐름으로써, 상기 히트 파이프의 내부 압력이 주변 압력 근처의 주어진 범주 내에 잔존하게 되는 온도의 범위를 확장시키는 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
  26. 제17항 내지 제25항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 증발기는 부가적으로 열 저장장치로서의 기능을 하는 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
  27. 과열방지를 위한 방법으로서, 상기 방법은,
    (a) 출구와 반입구를 가지고, 열전달 유체를 포함하고, 태양열 집열기의 흡수기와 열 접촉하는 증발기를 배치하는 단계;
    (b) 유입구와 유출구를 가지고, 상기 태양열 집열기의 외부 주위 환경과 열 접촉하는 콘덴서를 배치하는 단계; 및
    (c) 상기 증발기를 상기 콘덴서에 연결해주는 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥을 배치하는 단계;를 포함하며,
    상기 적어도 하나의 신축성 파이핑 가닥은, (i) 상기 흡수기에서의 온도가, 내부 압력이 주변 압력보다 낮은 상태에 상응하는, 사전규정된 전이온도보다 낮을 때의 붕괴상태에서는, 상기 열전달 유체가 상기 증발기로부터 상기 콘덴서로 흐르는 것을 막음으로써, 상기 증발기를 상기 콘덴서로부터 열적으로 차단하고, 상기 증발기로부터 상기 콘덴서로 열전달이 일어나지 못하게끔 구성되고, 그리고 (ii) 상기 흡수기에서의 온도가, 내부 압력이 주변 압력보다 높은 상태에 상응하는, 사전규정된 전이온도보다 높을 때의 팽창상태에서는, 상기 열전달 유체가 상기 증발기로부터 상기 콘덴서로 흐르는 것을 허용함으로써, 상기 증발기를 상기 콘덴서에 열적으로 결합하고, 상기 증발기로부터 상기 콘덴서로 열전달이 일어날 수 있게끔 구성되는 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
  28. 제27항에 있어서,
    상기 태양열 집열기는 단열처리된 쏠라 패널인 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
  29. 제27항에 있어서,
    상기 열전달 유체는 이중유체 열전달 유체인 것을 특징으로 하는 과열방지 방법.
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