KR100983887B1 - 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기에 관한 것으로서, 내부에 수용공간이 형성되어 열매체가 수용되는 축열탱크와, 상단부가 개방되어 상기 축열탱크의 수용공간과 연통되고 하단부가 밀폐형성되어 내부에 열매체가 수용되는 진공관과, 상기 축열탱크의 수용공간을 통과하고, 외부로부터 물이 유입되는 급수관과, 상기 급수관과 일단이 연결되고, 상기 급수관을 통해 유입된 물이 진공관내로 유입되어 1차 가열된 후 진공관 외부로 출수되도록 경로를 형성하는 적어도 하나 이상의 가열관과, 상기 축열탱크의 수용공간을 통과하고, 일단이 상기 가열관의 타단과 연결되어 상기 진공관에서 출수되는 물을 2차 가열하는 열교환관과, 일단이 상기 열교환관의 타단과 연결되어 대상물로 온수를 공급하는 출수관을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 이중진공관을 축열탱크의 수용공간과 연통되도록 설치됨으로써, 이중진공관의 열매체가 축열탱크로 유입되어 열효율이 뛰어나고, 집열기와 축열탱크를 연결하는 별도의 배관이 필요 없고, 설치공간이 절약되며, 이중진공관의 열매체가 축열탱크로 유입되고, 대상물로 공급될 물을 직접 가열관을 통과시켜 가열되도록 하며, 이중진공관의 열매체가 축열탱크로 유입되므로 간접열교환방식보다 열효율이 더 뛰어난 효과가 있다.

태양열, 온수기, 이중진공관, 직수, 집열기, 축열탱크.

Description

진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기{A Water Heating Apparatus Unified with Solar Heat Collector Using Vaccum Pipe}

본 발명은 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 이중진공관 타입의 태양열 집열기와 축열탱크를 일체로 결합 되도록 설치하여, 집열기와 축열탱크를 연결하는 별도의 배관이 필요 없으며, 대상물에 공급될 물을 직접 집열기에 급수하여 데울 수 있는 장치에 관한 것이다.

태양열이용시스템이란 태양광선의 파동성질과 광열학적성질을 이용하여 태양열 흡수, 저장, 열변환을 통하여 건물의 냉난방 및 급탕 등에 활용하는 기술이며, 크게 집열부, 축열부, 이용부로 구성되어 있다

집열부는 태양의 복사에너지를 흡수하여 재생가능한 열에너지로 변환시키는 기기로 중요한 역할을 담당하고 있으며, 일반적으로 태양열 집열기는 집광식과 비집광식이 있다.

집광식의 경우에는 200℃이상의 고온열을 얻을 수 있으나, 태양추적시스템을 구비해야 하는 등 초기 설치비 및 관리비가 많이 들어 주로 태양열 발전에 쓰인다.

비집광식은 평판형과 진공관형으로 나뉘는데, 종래의 평판형 태양열 집열기는 도 1에서 나타낸 바와 같이 금속제 태양열 집열판(130)에 가열관(140)이 설치되어 있는 것으로, 태양으로부터 발산된 태양열이 집열판(130)에 집열되면 집열판에 설치된 가열관(140)의 내부에 있는 열매체가 가열되고, 가열된 열매체는 밀도차에 의해 열매체 유입관(110)을 통해 축열탱크(100)로 유입된다. 유입된 열매체는 축열탱크(100)내에서 냉수와 상호열교환을 통해 온도가 감소하고 온도가 감소된 열매체는 다시 열매체 환수관(120)을 통해 가열관(140)으로 돌아오게 된다. 자연순환방식이라고 한다.

이러한 태양열 온수 급탕 시스템에 사용되는 기본적인 태양열 집열기로서 가격이 저렴할 뿐 아니라 열매체가 자연순환되어 가장 효율적인 집열기로 알려져 있으나, 열매체에 의한 열 취득 온도는 80℃이하로 비교적 낮아 사용이 제한되고 있다.

종래의 진공관형 태양열 집열기는 도 2에서 나타낸 바와 같이 하방이 밀폐된 진공 유리관(210) 내에 열전달 플레이트와 U자형의 가열관(220)이 설치되어 있는 것으로 열매체에 의한 열 취득 온도는 80℃~200℃의 범위 내로 종래의 평판형 태양열 집열기 보다 고온의 열을 취득할 수 있으나, 열매체가 자연순환되지 않으므로 별도의 열매체 순환펌프(200)가 필요하여 효율성이 떨어진다는 단점이 있다.

집열기 타입에 따른 장단점과는 별개로, 도 1 및 도 2에 개시된 종래 태양열 집열기는 가열된 열매체를 축열탱크로 보내고, 차가워진 열매체를 환수하기 위한 배관들이 필요하고 그에 따라 설치 공간이 커지고 제작비용이 높은 단점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 태양열 집열기와 축열탱크를 일체형으로 형성함으로써 설치 공간이 컴팩트해지고 제작비용이 절감될 수 있도록 하는 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 내부에 수용공간이 형성되어 열매체가 수용되는 축열탱크와, 상단부가 개방되어 상기 축열탱크의 수용공간과 연통되고 하단부가 밀폐형성되어 내부에 열매체가 수용되는 진공관과, 상기 축열탱크의 수용공간을 통과하고, 외부로부터 물이 유입되는 급수관과, 상기 급수관과 일단이 연결되고, 상기 급수관을 통해 유입된 물이 진공관내로 유입되어 1차 가열된 후 진공관 외부로 출수되도록 경로를 형성하는 적어도 하나 이상의 가열관과, 상기 축열탱크의 수용공간을 통과하고, 일단이 상기 가열관의 타단과 연결되어 상기 진공관에서 출수되는 물을 2차 가열하는 열교환관과, 일단이 상기 열교환관의 타단과 연결되어 대상물로 온수를 공급하는 출수관을 포함하는 것을 특징으로 하는 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기가 제공된다.

여기서, 상기 진공관은 상단부가 개방되어 상기 축열탱크의 수용공간과 연통되는 내관과, 상기 내관을 감싸도록 상기 내관의 외측으로 이격되게 설치되는 외관을 포함하며, 상기 외관과 상기 내관 사이가 진공으로 되는 이중진공관 구조인 것 이 바람직하다.

또한, 상기 이중진공관의 하측에 상기 이중진공관과 동일한 방향의 원형굴곡된 형상의 반사판이 설치되는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 축열탱크의 하측에 수용공간과 연통되어 설치되어 있는 벤트관을 더 포함하는 것이 보다 바람직하다.

또한, 상기 가열관은 제조 또는 설치 상의 편리를 위해, 상기 급수관과 연결된 제 1관과, 상기 열교환관과 연결된 제 2관과, 일단이 상기 제 1관에 연결되고, 타단이 상기 제 2관에 연결되는 'U'자 형상의 제 3관과, 상기 제 1관과 제 3관, 제 2관과 제 3관 사이에 게재되어 제 1관과 제 3관 및 제 2관과 제 3관의 내부를 연통하는 연결부재를 더 포함하여 구성되는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 열교환관은 코일 형상으로 다수 회 권취형성되어 있는 것이 더욱 바람직하다.

또한, 상기 급수관과 출수관 간에 설치되어 급수관으로부터 출수관으로의 물의 역류를 방지하는 체크 밸브와, 상기 체크밸브와 상기 급수관 간에 설치되어 온수가 출수관으로 배출되지 않는 경우 상기 급수관으로 유입된 물이 상기 가열관과 열교환관을 순환하도록 하기 위한 펌프가 더 포함되는 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같은 본 발명에 따르면, 이중진공관을 축열탱크의 수용공간과 연통되도록 설치됨으로써, 이중진공관의 열매체가 축열탱크로 유입되어 열효율이 뛰어나 고, 집열기와 축열탱크를 연결하는 별도의 배관이 필요 없고, 설치공간이 절약되며, 이중진공관의 열매체가 축열탱크로 유입되고, 대상물로 공급될 물을 직접 가열관을 통과시켜 가열되도록 하며, 이중진공관의 열매체가 축열탱크로 유입되므로 간접열교환방식보다 열효율이 더 뛰어난 효과가 있다.

이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시예를 상세하게 설명하도록 한다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기의 구조를 도시한 단면도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 제 1 실시예에 따른 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기는 진공관을 이용한 태양열 집열기에 축열탱크(10)가 일체형으로 형성된 구조를 갖는다.

축열탱크(10)는 내부 수용공간에 열매체(80)가 수용되어 있고, 하측으로부터 상측으로 벤트관(70)이 연장형성되어 축열탱크(10)의 내부 압력을 조절할 수 있도록 되어 있다.

축열탱크(10)의 하단에는 복수개의 진공관(50)이 축열탱크(10)의 수용공간과 연통되도록 설치되어 있다. 즉, 진공관(50)은 축열탱크(10)와 연통되도록 상단부가 개방되고 하단부가 밀폐형성되어 축열탱크(10)의 열매체(80)가 진공관(50)의 하 부까지 채워져 있다. 진공관(50)은 태양열의 집열이 용이하도록 투명한 유리재질로 이루어지고, 상단부가 개방되어 상기 축열탱크의 수용공간과 연통되는 내관과, 상기 내관을 감싸도록 상기 내관의 외측으로 이격되게 설치되는 외관을 포함하며, 상기 외관과 상기 내관 사이가 진공으로 되는 이중진공관 구조를 취하여 태양열 집열이 성능을 향상시키는 것이 바람직하다.

축열탱크(10)의 일측에는 냉수가 유입되는 급수관(20)과 데워진 온수가 대상물로 보내어지는 출수관(21)이 연결되어 있다.

급수관(20)은 축열탱크(10)의 내부에서 가열관(30)과 연결되는데, 가열관(30)은 "U"자 형상으로 형성되어 진공관(50)의 내부에 삽입되어, 상기 급수관을 통해 유입된 물이 진공관내로 유입되어 집열에 의해 고온상태인 열매체(80)와 열교환을 통해 1차 가열된 후 진공관 외부로 출수되도록 경로를 형성한다. 가열관(30)은 열전도도가 높은 동관인 것이 바람직하다.

진공관(50)으로부터 인출되는 가열관(30)은 축열탱크(10)의 수용공간내에서 열교환관(40)과 연결된다. 열교환관(40)은 상기 진공관에서 출수되는 물이 축열탱크(10)의 수용공간에 있는 열매체(80)와의 열교환에 의해 2차 가열되도록 하는 역할을 하는 것으로서, 열교환 효율을 향상시키기 위해 코일 형상으로 다수 회 권취되어 있는 것이 바람직하다.

이중진공관 구조의 진공관(50)의 하측에는 진공관(50)과 동일한 방향으로 원형굴곡된 형상의 반사판(60)이 설치되어 있다.

본 발명과 같은 구조에서는 이중진공관 내에 열매체가 충진되어 태양열에 의 해 열매체가 직접 가열되고, 직접 가열된 열매체와 물 과의 열교환에 의해 물이 가열되므로 종래 흡열부재와 열전달 플레이트를 통해 전달된 열로 동관 내의 열매체를 가열하는 방식에 비해 신속하게 물을 가열할 수 있는 장점이 있다.

실험결과, 본 발명과 같은 구조에서 축열탱크(10) 내부로 유입된 물이 70 ~ 80℃로 가열되는데 약 1시간 30분 정도가 소요되는 것으로 나타났다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기에서 가열관이 조립식으로 형성되는 것을 도시한 것이고, 도 5는 조립식으로 결합된 가열관의 단면도이다.

제 2 실시예에 따른 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기는 가열관(30)이 3개의 관으로 분리되어 있고, 3개의 관이 조립되어 하나의 가열관(30)을 형성하는 구조를 갖는 것이 제 1 실시예와 상이한 부분이다.

즉, 도 4에 도시된 바와 같이, 가열관(30)은 급수관(20)과 연결되는 제 1관(31)과, 열교환관(40)과 연결된 제 2관(32)과, 일단이 제 1관(31)에 연결되고, 타단이 제 2관(32)에 연결되는 'U'자 형상의 제 3관(33)으로 이루어지고, 제 1관(31)과 제 3관(33) 및 제 2관(32)과 제 3관(33)은 각각 연결부재(90)를 통해 결합된다.

따라서, 설치시에는 축열탱크(10) 본체의 하부로 돌출되는 제 1관(31)과 제 2관(32)을 연결부재(90)를 이용하여 "U"자 형상의 제 3관(33)에 결합한 후, 이중진공관(50)을 축열탱크(10) 하단에 체결하여 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기를 완성한다.

도 5를 참조하면, 연결부재(90)는 내부에 중공(91a)이 형성되고 내주면에 나사산(91b)이 형성된 제 1 연결부재(91)와 상단 외주면에 나사산(91b)에 대응되는 나사산(92b)이 형성되고, 나사산(92b)이 형성된 상단 내부에 중공(92aa)이 형성되고, 하단에는 중공(92aa)보다 작은 직경의 중공(92ab)이 형성되는 제 2 연결부재(92)를 포함하여 구성된다.

제 1관(31)과 제 2관(32)이 제 1 연결부재(91)의 중공(91a)와 제 2 연결부재(92)의 중공(92aa)이 연접한 부분에 삽입되고, 제 3관(33)이 제 2 연결부재(92)의 중공(92ab)에 삽입된 후, 제1 연결부재(91)와 제 2 연결부재(92)를 나사결합하여 삽입된 관체들을 연결부재(90)내에 고정적으로 설치하게 된다.

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기의 구조를 도시한 단면도이다.

제 3 실시예는 급수관(20)과 출수관(21) 간에 체크 밸브(V)와 펌프(P)가 추가적으로 설치되어 있는 것이 특징적인 구성으로서, 온수를 사용하지 않는 동안, 즉, 급수관(20)으로의 물의 유입과 출수관(21)으로부터의 온수의 유출이 없는 경우에 탱크 내부의 물이 내부 유로를 따라 순환하도록 하는 것이 특징적이다.

체크 밸브(V)는 급수관(20)으로부터 출수관(21)으로의 물이 역류하는 것을 방지하는 것이고, 펌프(P)는 가열관(30)에 머무르고 있는 물이 열교환관(40)을 따라 순환하도록 하는 기능을 수행한다.

온수를 사용하고 있지 않은 동안에는 가열된 온수가 외부로 유출되지 않으므로 지속적으로 태양열을 받는 가열관(30) 내에 위치한 물의 온도가 열교환관(40) 내의 물의 온도 또는 축열탱크(10) 내의 열매체(80)의 온도보다 높게 된다. 따라서, 이러한 경우 펌프(P)의 구동에 의해 물을 순환시켜 가열관(30)측의 고온의 물이 열교환관(40)을 통과하면서 축열탱크(10) 내의 열매체(80)와 열교환하여 열매체(80)의 온도를 높여줌으로써 열효율을 증가시키게 된다.

온수 사용중에는 펌프(P)가 동작하지 않으므로 가열관(30)과 열교환관(40)을 통해 가열된 온수가 출수관(21)을 통해 외부로 공급된다.

비록 본 발명이 상기 언급된 바람직한 실시예와 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에서 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

도 1은 종래 평판형 태양열 집열기의 개략도이다.

도 2는 종래 진공관형 태양열 집열기의 개략도이다.

도 3은 본 발명의 제 1 실시예에 따른 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기의 구조를 도시한 단면도이다.

도 4는 본 발명의 제 2 실시예에 따른 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기에서 가열관이 조립식으로 형성되는 것을 도시한 것이다.

도 5는 조립식으로 결합된 가열관의 단면도이다.

도 6은 본 발명의 제 3 실시예에 따른 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기의 구조를 도시한 단면도이다.

<주요 도면부호에 관한 설명>

10 : 축열탱크 20 : 급수관

21 : 출수관 30 : 가열관

31 : 제 1 관 32 : 제 2 관

33 : 제 3 관 40 : 열교환관

50 : 진공관 60 : 반사판

70 : 벤트관 80 : 열매체

90 : 연결부재 91 : 제 1 연결부재

92 : 제 2 연결부재

Claims (7)

1. 내부에 수용공간이 형성되어 열매체가 수용되는 축열탱크와;

   상단부가 개방되어 상기 축열탱크의 수용공간과 연통되고 하단부가 밀폐형성되어 내부에 열매체가 수용되는 진공관;

   상기 축열탱크의 수용공간을 통과하고, 외부로부터 물이 유입되는 급수관과;

   상기 급수관과 일단이 연결되고, 상기 급수관을 통해 유입된 물이 진공관내로 유입되어 1차 가열된 후 진공관 외부로 출수되도록 경로를 형성하는 적어도 하나 이상의 가열관과;

   상기 축열탱크의 수용공간을 통과하고, 일단이 상기 가열관의 타단과 연결되어 상기 진공관에서 출수되는 물을 2차 가열하는 열교환관과;

   일단이 상기 열교환관의 타단과 연결되어 대상물로 온수를 공급하는 출수관을 포함하되,

   상기 진공관은 상단부가 개방되어 상기 축열탱크의 수용공간과 연통되는 내관과, 상기 내관을 감싸도록 상기 내관의 외측으로 이격되게 설치되는 외관을 포함하며, 상기 외관과 상기 내관 사이가 진공으로 되는 이중진공관 구조인 것을 특징으로 하는 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 이중진공관의 하측에 상기 이중진공관과 동일한 방향의 원형굴곡된 형상의 반사판이 설치되는 것을 특징으로 하는 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 축열탱크의 하측에 수용공간과 연통되어 설치되어 있는 벤트관을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기.
5. 제 1항에 있어서,

   상기 가열관은,

   상기 급수관과 연결된 제 1관과;

   상기 열교환관과 연결된 제 2관과;

   일단이 상기 제 1관에 연결되고, 타단이 상기 제 2관에 연결되는 'U'자 형상의 제 3관과;

   상기 제 1관과 제 3관, 제 2관과 제 3관 사이에 게재되어 제 1관과 제 3관 및 제 2관과 제 3관의 내부를 연통하는 연결부재를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기.
6. 제 1 항에 있어서,

   상기 열교환관은 코일 형상으로 다수 회 권취형성되어 있는 것을 특징으로 하는 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기.
7. 제 1 항에 있어서,

   상기 급수관과 출수관 간에 설치되어 급수관으로부터 출수관으로의 물의 역류를 방지하는 체크 밸브와,

   상기 체크밸브와 상기 급수관 간에 설치되어 온수가 출수관으로 배출되지 않는 경우 상기 급수관으로 유입된 물이 상기 가열관과 열교환관을 순환하도록 하기 위한 펌프가 더 포함되는 것을 특징으로 하는 진공관을 이용한 태양열 집열기 일체형 태양열 온수기.

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