KR20160008352A - 이중투과체 구조를 가지는 평판형 태양열 집열기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 이중투과체를 구비한 평판형 태양열 집열기에 관한 것으로, 그 목적은 평판형 태양열 집열기가 고온에서 사용시 투과체측으로 열손실이 과다하게 발생하고 투과체측을 통하여 이물질이 침입하므로서 효율 및 내구성이 저하되는 것을 방지하도록 투과체를 이중으로 구성하고 투과체와 투과체의 사이공간에 밀폐공기층 또는 불활성가스층을 형성하여 투과체측으로의 열손실을 방지토록 한 이중투과체를 구비한 평판형 태양열 집열기를 제공하는 데 있다.
본 발명의 구성은 평판형 태양열 집열기에 있어서, 상기 집열판(4)의 상측으로 일정간격을 유지하여 설치된 내부공간이 밀폐공기층 또는 불활성가스층으로 이루어진 이중투과체 유니트(5)와; 이 이중투과체 유니트(5)의 내측 투과체(7)와 외측투과체(8)가 일정간격을 유지하도록 설치되는 스페이서(9)와; 스페이서와 내,외측 투과체를 결합해주는 접착용 완충재(10)와; 이중투과체 유니트의 모서리를 밀봉해주는 투과유니트 밀봉재(11)와; 이중투과체 유니트의 상, 하 모서리에 외부로부터 이물질의 침입을 방지하기 위해 설치되는 오링밀봉재(12)와; 이 오링밀봉재(12)를 압착하여 기밀을 유지하게 해주는 투과체고정대(13);와 집열판 하측의 후면판(15)으로부터의 이물질 침입을 방지하기 위하여 설치되는 오링밀봉재(12)와 이 오링밀봉재를 압착하여 기밀을 유지하게 해주는 후면판고정대(14);를 포함하여 구성된 이중투과체를 구비한 평판형 태양열 집열기를 발명의 특징으로 한다.

Description

이중투과체 구조를 가지는 평판형 태양열 집열기{Double glazed flat plate type solar collector}

본 발명은 이중투과체 구조를 갖는 평판형 태양열 집열기에 관한 것으로, 에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 평판형 태양열 집열기의 열손실의 대부분이 투과유리측으로의 대류현상에 의해 손실되는데 이러한 투과유리측으로의 대류열손실을 방지하도록 투과유리를 이중으로 구성하고 유리와 유리사이에 밀폐공간을 형성하므로써 태양열 집열판으로부터 집열기 외부로의 대류열손실을 최소화시켜 집열효율을 높인 이중투과체 구조의 평판형 태양열 집열기에 관한 것이다.

태양열 집열기는 태양으로부터 오는 에너지를 모아서 열로 변환하는 장치로, 보통 투명한 유리나 플라스틱판으로 태양광선을 투과시키고 유리 내측에 위치한 구리 또는 알루미늄으로 된 흡열판에서 열로 변환시켜 이를 열전달 매체를 이용 축열조와 열교환시켜 난방용이나 온수용 물로 사용하는 장치이다.

이러한 태양열을 이용한 집열기는 크게 평판형과 진공관형으로 크게 구분된다.

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 집열판으로부터 열을 전달받는 통상 동재질로 이루어진 다수개의 가는 지관을 일정간격으로 배열후 용접시켜서 사각형상의 틀체(프레임) 내에 삽입시키고 그 상부로 투명덮개를 씌어 일체의 집열기를 형성하게 되고 그 하부 및 측부는 전도열 손실을 방지하기 위한 단열재가 놓여지게 되며, 측부 및 하부의 외부는 금속 또는 비철금속 또는 플라스틱제의 프레임으로 구성된다.

작동원리는 태양열이 집열판을 가열시키고, 가열된 집열판은 지관 내부 물 등의 열매체에 열에너지를 전달하게 되며, 상기 지관내에서 열교환된 열매체는 집열기의 본관(헤더 파이프)에서 합류되어 축열조나 열교환기에 집열된 열에너지를 제공하도록 형성된다.

이때, 상기 평판형 태양열 집열기는 물을 직접 가열하여 이용하는 경우도 있지만 동절기 및 혹한기가 존재하는 지역에서는 물보다는 부동액을 열매체로 사용하기도 한다.

또한 상기 진공관형 태양열 집열기는 유리튜브 형상을 하고 있으며 태양열 집열 표면과 접하는 폐쇄된 공간을 진공 처리하여 대류에 의한 열손실을 차단시킬 수 있게 형성된다. 그 구조는 하나의 유리튜브를 사용하는 방법과 2개의 유리튜브를 사용하는 이중 진공관 형태의 방법로 구분된다.

먼저 하나의 유리튜브를 사용하는 방법은 유리튜브 내부에 히트파이프가 장착된 집열판을 삽입시키고, 상기 유리튜브의 상단으로 히트파이프를 돌출시킨 상태에서 금속 재질의 마개로 밀폐시키고, 그 내부를 진공 처리함으로써 집열판 표면으로부터 집열된 태양열이 대류에 의해 외부로 손실되는 것을 차단시키게 된다.

또한 2개의 유리튜브를 이중 진공관의 형태로 사용하는 방법은 외부튜브와 태양열 집열을 위해 특수 표면 처리된 집열튜브 사이공간을 진공으로 처리한 이중관을 형성하고, 상기 집열튜브의 내측으로 열매체가 순환하는 U자형상의 동관 또는 물을 채우며 이중관의 상부를 단열마개로 밀봉시켜 집열튜브 내측에 채워진 물을 데우도록 형성됨으로써 태양에너지를 집열하는 방식이다. 이때, 상기 외부튜브와 집열튜브 사이공간에는 진공 처리로 인해 공기의 대류에 의한 외부로의 열손실을 차단시키게 된다.

상기한 태양열 집열기 중 평판형 집열기가 제작단가가 낮고 내구성이 가장 우수하여 가장 많이 보급된 형태이다. 하지만 평판형 집열기의 구조는 집열판과 투과체 사이의 공간에 공기가 존재하고 또한 투과체의 외부는 외부공기가 항상 유동하므로서 집열판주위의 공기의 대류현상으로 투과체측을 통한 열손실이 많이 일어나므로서 집열효율이 낮아지는 문제점이 있다.

평판형집열기의 효율구조도

도 6은 종래 평판형 태양열 집열기의 열손실 구조를 나타내는 예시도이다. 일반적으로 태양열 집열기의 투과체를 통하여 태양광선이 100% 조사되면 60%만 집열판에 흡수되고 투과체에서 8%가 반사되고 2%는 투과체에 흡수되며 8%는 집열판에서 반사되고, 6%는 집열판에서 복사의 형태로 손실되고 13%는 대류에 의해 열손실이 일어나며 3%는 후면 및 측면의 단열재를 통하여 열이 손실되는 구조를 갖는다.이중에서 대류열손실을 보면 집열판(Absorber)주위의 공기의 유동에 의하여 13%나 되는 많은 열손실이 일어나게 된다. 이는 투과체가 직접 외부공기와 접하기 때문에 일어나는 현상이다.

또한 한 겹의 투과유리로 되어있기 때문에 외부의 습기나 먼지 등이 집열판 부위로 침투할 수 있어 집열효율의 저하 및 제품의 내구성을 저해할 수 있다.

본 발명의 목적은 상기한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 평판형 태양열 집열기를 구성하는 투과체를 이중으로 구성하고 투과체와 투과체의 사이를 밀폐공간으로 유지하므로써 집열기내부 집열판 주위의 공기 유동으로 인한 투과체 외부공기와의 대류 열손실을 방지하므로서 집열효율을 높이도록 한 이중투과체 구조의 평판형 태양열 집열기를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 집열기의 투과체 외부로부터의 습기나 이물질의 침투를 이중투과체 유니트에서 원천봉쇄 하므로서 집열판의 오염을 방지하여 집열효율의 저하를 방지하고 습기로 인한 집열판의 내구성 저하를 방지하도록 한 이중투과체 구조의 평판형 태양열 집열기를 제공하는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은, 사각형상의 집열기 프레임 안 구리나 알루미늄 등을 이용하여 제작된 얇은 금속판에 태양 광선을 최대한 흡수할 수 있도록 표면을 특수 화공처리한 집열판과, 상기 집열판으로부터 열을 전달받는 통상 동재질로 이루어진 집열판과 용접 되어있는 다수개의 가는 지관과, 이 다수개의 지관의 일측 및 타측에 용접되어 연결되는 주관과, 그 상부로 태양광선을 투과시키는 투과체와, 집열판의 열손실을 방지하기 위하여 집열판의 하측 및 측부에 설치되는 단열재와, 집열기외측의 사각형상을 유지시키는 프레임으로 구성된 평판형 태양열 집열기에 있어서, 상기 태양광선을 투과시키는 투과체간 일정한 간격을 유지하도록 하여 이중으로 형성된 이중투과체 유니트와; 상기 이중투과체 유니트의 낮은 태양광선 투과율을 보완하기 위하여 특수 반사방지 코팅처리한 고투과율을 갖는 투과체와; 상기 이중투과체 유니트의 일정한 간격을 유지시키는 스페이서와; 상기 상기 이중투과체 유니트와 스페이서를 고정시키고 외기와 밀봉시키는 밀봉재;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 대류열손실방지 이중투과체 구조를 갖는 평판형 태양열 집열기를 제공함으로써 달성된다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 이중투과체간 간격은 사용조건에 따라 적합한 수치로 적용할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 이중투과체의 내, 외측 투과체를 특수 반사방지코팅 처리한 고투과율의 투과유리를 사용할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 이중투과체중 내측 투과체는 고투과율의 플라스틱 필름을 사용할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 이중투과체 유니트의 내부 공간은 밀폐공기층으로 유지할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 이중투과체 유니트의 내부공간은 불활성가스를 충진하여 유지할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 이중투과체 유니트의 스페이서와 투과체의 접촉면은 충격에 의한 파손이 방지되도록 접착성이 있는 완충재를 사용할 수 있다.

본 발명은 바람직한 실시예로, 상기 이중투과체 유니트의 모서리부분은 접착성이 있는 밀봉재를 사용하여 외기로부터 차단하는 구조를 사용할 수 있다.

본 발명에 의하면, 평판형 태양열 집열기를 구성하는 투과체를 이중으로 구성하고 투과체의 사이 공간을 밀폐공기층 또는 불활성가스층으로 유지시키므로서 집열판의 온도상승에 따른 투과체측으로의 열손실 특히 대류 열손실을 최소화 할 수 있어 고온영역(100℃ 전후)에서의 집열효율을 높여 준다는 장점이 있다.

또한 본 발명은 투과체유니트를 밀봉상태로 유지시키므로서 투과체 외측으로부터의 습기나 이물질의 침입을 원천 방지하므로서 집열판의 오염에 따른 집열효율의 저하를 방지하고, 습기 등으로 인한 집열판의 내구성 저하를 방지하는 장점을 갖는 유용한 발명으로 산업상 그 이용이 크게 기대되는 발명인 것이다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 이중투과체 구조의 평판형 태양열 집열기를 도시한 사시도이고,
도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 이중투과체 유니트의 밀봉구조를 도시한 단면도이고,
도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 이중투과체 구조의 평판형 태양열 집열기를 도시한 단면도이고,
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 불활성가스가 충진된 이중투과체 유니트를 도시한 단면도이고,
도 5는 본 발명의 한 실시예에 따른 밀폐공기층이 유지된 이중투과체 유니트를 도시한 단면도이고,
도 6은 종래 평판형 태양열 집열기를 구성하는 단일투과체 구조의 평판형 태양열 집열기를 도시한 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 플라스틱필름을 내측 투과체로 사용한 이중투과체 유니트를 도시한 단면도이다.

이하 본 발명의 실시 예인 구성과 그 작용을 첨부도면에 연계시켜 상세히 설명하면 다음과 같다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

도 1은 본 발명의 한 실시예에 따른 이중투과체 유니트를 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 한 실시예에 따른 이중투과체 유니트의 밀봉구조를 도시한 단면도이고, 도 3은 본 발명의 한 실시예에 따른 이중투과체 구조의 평판형 태양열 집열기를 도시한 단면도이다.

도시된 바와 같이 본 발명에 따른 태양열 집열기는 일반적인 평판형 집열기와 같이 태양열집열기를 이루는 사각형상의 집열기 프레임(1) 안 내부의 일측 및 타측에 장치되는 주관(Header pipe, 2)과, 양측 주관간을 연결하는 다수개의 지관(Branch pipe, 3)과, 상기 다수개의 지관과 용접되어 태양열을 흡수하는 집열판(4)과 태양광선이 투과되도록 하고 내부의 열이 외부로 방출되지 못하도록 하는 이중투과체 유니트(5)와 상기 집열판의 열이 하부나 측벽으로 방출되지 못하도록 하는 단열재(6)로 구성된다.

상기 이중투과체 유니트(5)는 집열판(4) 주위의 내부공기와 직접 맞닿는 내측투과체(7)와 외부공기와 직접 맞닿는 외측투과체(8)와 내측과 외측투과체가 일정간격을 유지하게 해주는 스페이서(9)와 이 스페이서(9)와 내, 외측 투과체(7,8)의 접촉면에 부착하여 투과체를 보호하는 접착용 완충재(10)와 투과유리 유니트의 외측 모서리를 외부와 밀봉해주는 투과유니트밀봉재(11)로 구성된다.

상기 이중투과체 유니트(5)는 통상 외부로부터의 충격에 강하도록 강화처리한 저철분 유리를 사용하며 두장의 투과체를 사용하므로 전체적인 광선투과율이 한 장의 투과체 사용시와 비교해 낮아지므로 이를 보완하기 위하여 내, 외측 투과체(7,8)의 각각의 투과체 양면에 반사방지 코팅을 한 고투과율의 투과체를 사용한다.

또한 내, 외측 투과체(7,8)의 간격은 설계조건에 따라 변경될 수 있는 것으로서 본 발명에서 특정수치로 한정시키지 아니한다.

또한 상기 이중투과체 유니트(5)의 외측 투과체(8)와 내측 투과체(7)의 간격 유지를 위하여 일정한 단면형상을 갖는 스페이서(9)를 사용하며 스페이서의 재질 및 형상은 특별히 한정시키지 아니한다.

또한 스페이서(9)와 내,외측 투과체(7,8)의 접촉면은 접착용 완충재(10)로 부착하고 밀봉재(11)를 이용하여 이중투과체 유니트(7)의 모서리를 밀봉 처리한다.

또한 이중투과체 유니트(7)의 내부에는 대류열전달이 적게 일어나도록 불활성 가스층 또 밀폐공기층을 형성시킨다.

이하 구체적으로 본 발명에 따라 상기 이중투과체 구조에 의한 대류열손실 방지 및 이물질 침입방지 구조에 대해 설명한다.

본 발명은 집열판의 열손실 방지 및 이물질 침입을 방지하기 위해 집열판(6)의 상측으로 일정간격을 두고 이중투과체 유니트(7)를 설치한다. 이 이중투과체 유니트(7)는 두장의 유리와 유리사이의 밀폐공간으로 구성되며 이 밀폐공간에는 대류열손실을 최소화하기 위하여 밀폐공기 또는 불활성가스를 충진한다. 밀폐공간의 간격을 일정하게 유지하기 위하여 이중투과체 유니트 내측 모서리를 따라 스페이서(9)를 설치하고 이 스페이서와 내,외측 투과체가 접촉하는 부위에 접착용 완충재를 넣어 내, 외측 투과체(7,8)를 접합한다. 내,외측 투과체가 접합되면 이중투과체 유니트(7) 내부와 외부를 차단하기 위하여 모서리부를 따라 투과유니트밀봉재(11)로 밀봉처리 한다. 밀봉된 이중투과체 유니트는 집열기 프레임(1)의 상부돌출부에 놓여진 오링밀봉재(12) 위에 놓여지고 이중투과체 유니트(7) 상측 모서리를 따라 오링밀봉재(12)를 설치한 후 투과체 고정대(13)를 끼우므로서 조립이 완료된다. 집열판(6)의 하부 및 측부에는 열손실을 방지할 수 있도록 일정두께의 단열재(8)가 설치되며, 이 단열재의 하부에는 집열기 프레임을 형성하는 후면판(15)이 설치되며 이 후면판은 집열기 프레임(1)의 하부돌출부에 놓여진 오링밀봉재(12)위에 설치 한 후 후면판 고정대(14)를 끼워서 조립한다.

상기 밀봉처리된 이중투과체 유니트(7)가 유니트 모서리 상하부에 설치된 오링밀봉재(12)와 함께 조립되므로서 투과체측을 통하여 집열판(6) 내부로 침입하는 습기 또는 이물질을 원천 봉쇄하여 집열판의 내구성을 향상시키고, 집열효율 저하를 방지한다.

상기 밀봉처리된 이중투과체 유니트(7)의 내부 밀폐공간은 집열판(6) 주위의 내부 공기층과 집열기 외부의 공기층과의 대류방지층으로 작용하므로서 대류열손실을 최소화하여 고온영역(100℃ 전후)에서의 집열효율을 높일 수 있다.

도 6은 종래 평판형 태양열 집열기를 구성하는 단일투과체 구조의 평판형 태양열 집열기의 구조도인데 집열판(6) 주위의 공기층과 집열기 외부의 공기층이 한 장의 투과유리를 사이에 두고 양 영역에서 대류가 일어나기 때문에 대류 및 전도에 의한 열손실이 크게 일어나는 것이다.

이에 비해 본 발명의 경우 집열판(5) 주위의 내부공기층과 집열기 외부의 공기층 사이에 또 하나의 밀폐공기층 또는 불활성가스층이 존재하기 때문에 대류열손실을 크게 감소시킬 수 있게 된다.

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.

(1) : 프레임 (2) : 본관
(3) : 지관 (4) : 집열판
(5) : 이중투과체유니트 (6) : 단열재
(7) : 내측투과체 (8) : 외측투과체
(9) : 스페이서 (10) : 접착용완충재
(11) : 투과유니트밀봉재 (12) : 오링밀봉재
(13) : 투과체고정대 (14) : 후면판고정대
(15) : 후면판 (16) : 플라스틱필름투과체

Claims (6)

1. 사각형상의 집열기 프레임(1) 안 내부의 일측 및 타측에 장치되는 주관(Header pipe, 2)과, 양측 주관간을 연결하는 다수개의 지관(Branch pipe, 3)과, 상기 다수개의 지관과 용접되어 태양열을 흡수하는 집열판(4)과 태양광선이 투과되도록 하고 내부의 열이 외부로 방출되지 못하도록 하는 이중투과체 유니트(5)와 상기 집열판의 열이 하부나 측벽으로 방출되지 못하도록 하는 단열재(6)로 구성되는 평판형 태양열 집열기에 있어서,
   상기 이중투과체 유니트(5)는 집열판(4) 주위의 내부공기와 직접 맞닿는 내측투과체(7)와 외부공기와 직접 맞닿는 외측투과체(8)가 일정간격을 유지하게 해주는 스페이서(9)와;
   상기 스페이서(9)와 내, 외측 투과체(7,8)의 접촉면에 부착하여 투과체를 보호하는 접착용 완충재(10)와;
   상기 이중투과체 유니트(5)의 외측 모서리를 외부와 밀봉해주는 투과유니트밀봉재(11)와;
   상기 이중투과체 유니트(5)의 상, 하부 모서리면을 따라 외부로부터의 이물질의 침입을 방지하기 위해 설치되는 오링 밀봉재(12)와;
   상기 오링 밀봉재(12)를 압착하여 기밀을 유지하므로서 이물질의 침입을 방지케 하는 투과체 고정대(13);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 대류열손실 방지 및 이물질 침입방지구조의 이중투과체를 구비한 평판형 태양열 집열기.
   
2. 청구항 1에 있어서,
   이중투과체 유니트의 외측 투과체(8)의 내, 외측 표면에 광선투과율의 증대를 위하여 광선 반사방지 코팅 처리한 것을 특징으로 하는 이중투과체를 구비한 평판형 태양열 집열기.
   
3. 청구항 1에 있어서,
   이중투과체 유니트의 내측 투과체(7)의 내, 외측 표면에 광선투과율의 증대를 위하여 광선 반사방지 코팅 처리한 것을 특징으로 하는 이중투과체를 구비한 평판형 태양열 집열기.
   
4. 청구항 1에 있어서,
   이중투과체 유니트(5)의 내부 공간에 불활성가스를 주입하여 대류로 인한 열손실을 최소화 시키도록 한 이중투과체를 구비한 평판형 태양열 집열기.
   
5. 청구항 1에 있어서,
   이중투과체 유니트(5)의 내부 공간을 밀폐공기층으로 하여 대류로 인한 열손실을 최소화 시키도록 한 이중투과체를 구비한 평판형 태양열 집열기.
   
6. 청구항 1에 있어서,
   이중투과체 유니트(5)의 내측 투과체(7)를 집열기의 경량화를 위하여 투명한 플라스틱 필름(16)을 이용한 이중투과체를 구비한 평판형 태양열 집열기.

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