KR20230012879A - 과열 방지기능이 있는 자연 순환식 태양열 온수기 - Google Patents

과열 방지기능이 있는 자연 순환식 태양열 온수기 Download PDF

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Abstract

본 발명은 히트파이프형 태양열 집열기에 의한 자연순환 일체형 태양열 온수기로 진공관 집열기의 히트파이프 헤드(33)가 온수기 내통(11)에 설치되는 히트파이프웰(32)에 삽입되어 전도 및 대류에 의하여 온수기(100)에 열을 전달하고, 히트파이프웰은 온수기 내통 및 매니폴더 헤드(31)와 결합되고, 매니폴더 헤드 양끝단은 과열공기 배출관(35)과 연결되어 온수기 내의 양측면에서 외부로 돌출되는 과열공기 배출관에는 전동개폐 밸브(M1. M2)가 설치되는 구조의 자연 순환형 태양열 온수기로 과열 방지온도 설정치(△T1)가 되면 전동개폐 밸브 M1 및 M2가 OPEN 되어 과열되는 공기를 외부로 방출 온수기의 과열을 방지하는 것을 특징으로 하는 과열 방지기능이 있는 자연 순환형 태양열 온수기에 관한 것이다.

Description

과열 방지기능이 있는 자연 순환형 태양열 온수기{Natural circulation type solar water heater with overheat protection}
본 발명은 태양의 복사 에너지를 이용하여 온수를 생산 사용하는 진공관형 집열기와 온수기가 일체형으로 설치되는 자연 순환식 태양열 온수기의 구조에 의한 과열방지 기능에 관한 사항이다. 더욱 상세하게는 진공관형 집열기의 히트파이프가 온수기에 직접 체결되는 일체형 자연 순환식 태양열 온수기의 구조에 관한 사항과, 온수기의 과열을 방지하는 기능과 정전 시에도 과열을 방지할 수 있는 기능이 있는 자연 순환식 태양열 온수기에 관한 사항이다.
신재생 에너지 중 태양열은 난방 및 온수로 사용하기 위한 시스템으로 사용되고 있으며, 히트파이프형 태양열 집열기는 집열면적을 자유로이 조절 가능한 시스템으로 난방과 온수를 동시에 사용할 수 있는 태양열 설비로 사용되고 있으며, 집열기와 온수기가 일체형으로 조립되는 태양열 온수기는 온수용으로 주로 사용하고 있다.
히트파이프형 태양열 시스템에서의 과열 및 동파 방지기능은 대한민국 발명특허 제10-2154949에서 설명하고 있으나, 일체형 자연 순환식 태양열 온수기의 과열 방지기능은 집열부에 가림막을 설치하여 과열을 방지하는 기술 수준으로 자연 순환식 태양열 온수기의 과열 방지기술의 개발이 요구된다.
등록특허 제10-1801896호 공개특허 제 10-2012-0075074호 등록특허 제 10-2022568호 공개특허 제 10-2020-0000726호
본 발명은 히트파이프형 집열기가 태양열 온수기에 직접 체결되는 일체형 자연 순환식 태양열 온수기로 과열을 방지할 수 있는 구조를 가진 태양열 온수기이다.
또한, 정전 시에도 온수기의 과열을 방지하는 기능으로 태양열 시스템의 과열 부식을 억제하여 잔고장을 줄이고 내구성을 향상 시킬 수 있다.
상기 해결 과제 중 히트파이프와 태양열 집열기가 일체형으로 조립되어 과열 방지기능을 가지는 온수기의 구조는 히트파이프가 온수기 내통에 체결된 히트파이프웰의 내부로 삽입되는 구조로 온수기 내부의 물과 히트파이프가 직접 닫지 않는 구조이다.
히트파이프웰은 온수기 내부에서 매니폴더 헤드와 연결되고 메니폴더헤드의 양끝단은 과열공기 배출관과 연결되어 온수기 양측면을 관통하여 외부로 돌출되게 구성된다.
때문에, 온수기 내부에 설치되는 히트파이프웰과 매니폴더 헤드 및 과열공기 배출관은 온수기 내부의 물이 들어가지 않는 밀폐된 구조이고, 히트파이프웰을 통하여 집열부와 관통하는 구조로 집열부의 히트파이프 헤드가 히트파이프웰 내부로 삽입되어 전도 및 대류에 의한 열전달로 축열하게 된다.
따라서, 매니폴더 헤드와 과열공기 배출관 안에는 공기열만 존재함으로 열매체의 회수 시스템 같은 별도의 장치 없이도 전동밸브의 개폐만으로도 온수기의 과열을 방지할 수 있는 구조이다.
또, 과열 방지기능은 온수기에 설치된 온도센서 T2의 온도를 검출하여 과열방지 온도설정치인 ΔT1보다 T2의 온도가 같거나 높으면 전동밸브 M1과 M2가 개방되어 과열공기를 외부로 방출 온수기의 과열을 방지한다.
이때, 개방된 전동밸브 M1과 M2는 T2가 과열방지 종료온도 설정치인 ΔT2보다 같거나 낮으면 전동밸브 M1과 M2는 CLOSE되어 다시 집열하게 된다.
또한, 정전 시에도 태양열에 의하여 계속 집열되어 과열되는 현상을 방지하기 위하여 전동밸브 M1과 M2는 DC 12V로 동작되는 밸브를 채택하고, 구동 제어부(500)에는 보조배터리를 경유하는 제어 프로그램을 구성 정전 시에도 온수기의 과열을 방지할 수 있다.
본 발명에 의하면, 히트파이프형 집열기가 온수기와 일체형으로 체결되고, 다른 별도의 시설 없이 전동밸브의 작동으로 과열을 방지할 수 있는 자연 순환형 태양열 온수 시스템을 구성하여 과열 부식에 의한 하자 발생을 줄이고 설비의 내구연수를 연장할 수 있다.
도1은 대표도로서 본 발명에 의한 과열 방지기능을 가진 자연 순환식 태양열 온수기의 구성도
도2는 본 발명에 의한 태양열 온수기의 측면도
도3은 온수기 단면 및 양 측면도
도4는 온수기의 내부 구조 상세도
도5는 구동 제어부의 흐름도
도6은 구동 제어부의 회로도이다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어 이미 공지된 기능 및 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게하기 위하여 생략하기로 한다
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다.
다만, 본 발명을 설명함에 있어 이미 공지된 기능 및 구성에 대한 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기위하여 생략하기로 한다.
도1은 대표도로서 과열 방지기능이 구비된 자연 순환식 태양열 온수기의 구성을 도시하고 있으며, 태양열을 모으는 집열부인 진공관(34)과 히트파이프(46)가 온수기(100)와 일체형으로 체결되는 구조를 도시하고 있다.
온수기의 내부 구조는 온수기 내부의 보충수와 열교환하여 온수를 생산하는 온수열 교환코일(14)이 중앙으로 배치되고, 집열부 히트파이프와 온수기 내부 연결은 히트파이프헤드(33)가 히트파이프웰(32)에 삽입되어 전도 및 대류에 의하여 열을 전달하고, 히트파이프웰은 매니폴더 헤드(31)에 체결되고, 매니폴더 헤드 양끝단에는 온수기 외부로 관통되는 과열공기 배출관(35)이 일체형으로 체결된다.
외부로 노출된 과열공기 배출관 양끝단에는 매니폴더 헤드 내부의 열을 방출 또는 차단하기 위한 전동 개폐밸브(M1.M2)가 부착되며, 온도센서 T2와 온수기에 물을 보충시킬 수 있는 급수용 전동밸브 M3와 급수용 센서(20) 및 구동 제어부로 구성된다.
도2는 본 발명에 의한 과열방지 기능을 가지는 일체형 자연순환 태양열 온수기의 구조를 나타내기 위한 측면도로서 온수기와 집열부가 구조물(36)에 의하여 조립되는 형상을 도시하고 있다.
도3은 본 발명에 의한 온수기(100)의 단면도로서 온수기 내부 양끝단의 과열공기 배출관(35)은 온수기 내부에서 온수기의 온도 변화에 따른 신축을 흡수할 수 있도록 한 번 이상의 곡관으로 배치되어 온수기 양측면과 과열공기 배출관 연결 부위의 변형을 방지할 수 있는 구조들을 도시하고 있다.
도4는 본 발명에 의한 온수기 내부 구조의 단면 상세도로서 매니폴더 헤드(31)와 히트파이프웰(32) 및 온수기 내통(11)은 용접 접합(37)으로 체결되어 온수기 내부의 물이 메니폴더 내부로 흘려들지 않는 구조이며, 히트파이프 헤드(33)가 삽입되는 히트파이프웰은 내부가 집열부 방향으로 관통되어 있는 구조를 도시하고 있다.
온수기패트(39)는 온수기와 진공관(34)이 조립될 때 온수기 외통(13)과 기밀성을 유지하기 위한 패킹이며, 진공관 패드(38)는 진공관 상부의 기밀성을 유지하기 위한 패킹재이다.
도5는 본 발명에 의한 과열방지 기능을 포함하는 구동 제어부의 흐름도로서 과열방지 모드, 열선 동작 모드, 히타봉 동작 모드와 정전 시 과열방지 모드로 구성된다.
과열방지 시작 모드는 온수기 온도가 과열방지 온도 설정치(ΔT1)보다 같거나 높으면(T2≥ΔT1) 전동밸브 M1 및 M2가 개방되어 과열공기를 외부로 방출시켜 과열을 방지하고, 온수기 온도가 과열방지 종료온도 설정치(ΔT2)보다 같거나 낮으면(T2≤ΔT2) 전동밸브 M1 및 M2는 닫혀져 다시 집열된다.
온수기로 공급되는 급수관의 동파를 방지하기 위하여 급수관(16)의 표면온도(T3)가 열선 동작 온도 설정치(ΔT5)보다 낮아지면(T3<ΔT5) 열선 전원이 공급되어 동파를 방지하고, T3가 ΔT6보다 높아지면 열선 전원 공급이 차단된다.
또한, 필요에 따라 히타봉을 설치 시에는 T2가 히타봉 전원 공급온도 설정치인 ΔT7보다 낮으면 히타봉에 전원이 공급되어 온수를 가열하고, T2가 히타봉 전원 차단온도 설정치인 ΔT8이 되면 히타봉 전원이 차단된다.
또, 정전 시 온수기의 과열 방지를 위하여 M1 및 M2 밸브는 DC12V로 구동되는 밸브로 구동 제어부(500)에는 보조 밧데리가 추가로 설치되어, T2가 ΔT1 이상이 되면 M1 및 M2밸브가 개방되어 과열공기를 외부로 방출시켜 과열을 방지한다.
도6은 본 발명에 의한 구동 제어부의 배치도로 DC 제어회로와 AC 제어회로가 분리 배치되어 제어되는 회로도를 도시하고 있다.
앞서 설명한 바와 같이 자연 순환형 태양열 온수기의 과열방지 기능은 온수기의 내부 구조를 과열방지 기능을 구현할 수 있도록 구성하여야만 제어 장치에 의하여 과열 방지를 구현할 수 있다.
이상과 같이 본 발명을 설명하였으나 반드시 이러한 예들에 국한되는 것이 아니고 다양하게 변형실시 될 수 있으므로 본 발명이 제안하는 기술적 보호 범위는 청구항의 범위에서 기술의 특성과 원리로 해석되어야 하며, 이와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술적 사항은 본 발명의 권리에 포함되는 것으로 봐야 할 것이다.
100 : 온수기
11: 온수기 내통
12: 온수기 단열층
13: 온수기 외통
14: 온수 열 교환 코일
15: 온수관
16: 급수관
17: 온수기 보충수관
18: 온수기 배수관
19: 보충수 탱크
20: 급수용 수위센서
300 : 매니폴더
31: 매니폴더 헤드 (Manifold head)
32: Heat pipe wall
33: Heat pipe head
34: 진공관( Vacuum Tube)
35: 과열공기 배출관
36: 구조물 (frame)
37: 용접접합
38: 진공관패킹
39: 온수기 패킹
40: 온수기 체결용 쁘라켓
41: 25A 소켓
42: 열매체 공급관
43: 열매체 환수관
44: 매니폴드 외부 케이싱
46: 히트파이프
500 : 구동 제어부

<온도계측센서>
T2: 축열부 온도센서
T3: 급수관 온도센서
<온도 설정치 검측>
△T1: 온수기 과열 방지 온도 설정치 (90℃ 설정)
△T2: 온수기 과열 방지 종료 온도 설정치(75℃ 설정)
△T5: 열선 동작 시작 온도 설정치 (2℃ 설정)
△T6: 열선 동작 종료 온도 설정치 (5℃ 설정)
△T7: 히타봉 전원 공급 온도 설정치 (40℃ 설정)
△T8: 히타봉 전원 차단 온도 설정치 (50℃ 설정)
< 동작부>
M1: 전동밸브
M2: 전동밸브
M3: 급수용 전동밸브

Claims (5)

  1. 진공관(34)과 히트파이프(46)로 구성되는 태양열 집열부와;
    온수기(100) 내부에 설치되는 히트파이프웰(32)과 매니폴더 헤드(31) 및 과열공기 배출관(35)이 일체형으로 구성되어 집열부로부터 열을 전달받아 온수기 내의 저장수를 가열하는 축열부와;
    온수기 온도센서(T2)와 전동밸브 M1과 M2 및 구동 제어부(500)로 구성되어,
    온수기 온도가 과열방지 온도 설정치(ΔT1)가 되면 전동밸브 M1 및 M2가 개방되어 과열공기를 외부로 방출 온수기의 과열을 방지하는 기능이 있는 자연 순환형 태양열 온수기.
  2. 제1항에 있어서,
    태양열 집열부는 진공관(34)과 진공관 내부에 삽입되는 히트파이프(46)와 히트파이프 상부의 히트파이프헤드(33)로 구성되어 히트파이프헤드가 온수기의 내통(11)에 체결되는 히트파이프웰(32) 내부로 삽입되어 히트파이프웰과 매니폴더헤드(31)에 전도 및 대류에 의하여 열을 전달하여 온수기 내부의 물을 가열하는 태양열 온수기로 히트파이프웰(32)과 매니폴더헤드(31) 및 매니폴더헤드 양 끝단에는 과열되는 공기를 외부로 방출할 수 있도록 과열공기 배출관(35)이 온수기 내부에서 일체형으로 설치되는 구조에 의하여 과열방지 기능이 있는 자연 순환식 태양열 온수기.
  3. 제1항에 있어서,
    과열공기 배출관(35)은 온수기 내부에서 온수기(100)의 온도 변화에 따른 신축을 흡수할 수 있도록 한 번 이상의 곡관으로 배치하여, 온수기 양측면과 과열공기 배출관 연결 부위의 변형을 방지할 수 있는 구조의 과열방지 기능이 있는 자연 순환식 태양열 온수기.
  4. 제1항에서
    온수기 과열 방지기능은 온수기 온도센서 T2가 과열 방지온도 설정치인 ΔT1보다 같거나 높으면 전동밸브 M1 및 M2가 OPEN 되어 과열공기를 외부로 방출 온수기의 과열을 방지하고, T2가 과열 방지 종료 온도 설정치인 ΔT2보다 같거나 낮으면 전동밸브 M1 및 M2가 CLOSE 되어 태양열을 축열하는 구조의 과열방지 기능이 있는 자연 순환식 태양열 온수기.
  5. 제1항에서
    정전 시 온수기 과열 방지기능은 T2 온도가 과열 방지 설정치인 ΔT1보다 같거나 높으면 과열 방지 모드가 되어 DC 구동용 전동밸브 M1 및 M2는 사전 충전되어있는 배터리의 전력으로 밸브를 OPEN 시켜 과열공기를 외부로 방출 온수기의 과열을 방지하는 기능이 있는 자연 순환식 태양열 온수기.
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