KR101036904B1 - 지중열을 이용한 일체형 스틸 관과 히트파이프의 열교환장치 - Google Patents

지중열을 이용한 일체형 스틸 관과 히트파이프의 열교환장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지중열천공에 투자비가 상대적으로 많아 일반사업에서 보급하기 어려운 기술을 천공기술과 열교환기의 효율을 증가시켜야만 공사비를 절감시킬 수 있으므로 시추공이 형성된 지면에 스틸 관과 히트파이프가 일체형으로 이루어지고, 히트파이프의 일부가 외부와 접촉되어 히트파이프를 빠르게 식히거나 데워지도록 하고, 열교환기와 유체 관이 지면에 매설되어 열교환기와 유체 관이 외부로 노출된 상기의 기술보다 효율이 높으며, 스틸 관 외부표면을 코팅함으로써 외부와의 접촉면이 부식되지 않도록 하는 것이며, 유체 관을 최대한 짧게 하고, 히트파이프 상단에 접촉시켜 빠른 효율을 제공하는 것이다.
상기 본 발명은 토사층과 암반층에 매설되는 스틸 관의 외주면을 코팅제로 코팅됨으로 토사층과 암반층에 함유된 수분에 의한 부식을 방지해주는 효과와 스틸 관과 히트파이프 사이에 보온/보냉제를 충진하여 히트파이프 하단에서 전달되는 지중열이 방열되지 않고, 같은 온도로 유지하도록 하는 효과를 제공하는 것이다.

Description

지중열을 이용한 일체형 스틸 관과 히트파이프의 열교환장치{Using the heat of underground steel pipes and heat pipe integrated heat exchanger}
본 발명은 지중열 천공에 투자비가 상대적으로 많아 일반사업에서 보급하기 어려운 기술을 천공기술과 열교환기의 효율을 증가시켜야만 공사비를 절감시킬 수 있으므로 시추공이 형성된 지면에 스틸 관과 히트파이프가 일체형으로 이루어지고, 히트파이프의 일부가 외부와 접촉되어 히트파이프를 빠르게 식히거나 데워지도록 하고, 열교환기와 유체 관이 지면에 매설되어 열교환기와 유체 관이 외부로 노출된 상기의 기술보다 효율이 높으며, 스틸 관 외부표면을 코팅함으로써 외부와의 접촉면이 부식되지 않도록 하는 것이며, 유체 관을 최대한 짧게 하고, 히트파이프 상단에 접촉시켜 높은 효율을 제공하는 것이다.
현재 열교환기의 시공은 지중열원 축열식 히트펌프 시스템으로 지하 약 100~150M까지의 지중 온도를 히트펌프의 열원으로 이용하여 냉방 및 난방 및 급탕에 활용하고 있다.
지중열은 년 평균 15℃~20℃의 온도를 유지하는 안정적인 열원으로서 공기 열원과는 달리 지역에 관계없이 전국 어느 장소에도 히트펌프가 적용이 가능하여 현재 지중열을 히트펌프의 열원으로 사용하기 위하여 지하에 열교환용 파이프(PE)를 매설하고, 파이프내로 물 또는 부동액을 순환시켜 동절기에는 대지로부터 얻은 열을 본 시스템을 통해 건물내로 전달하고, 하절기에는 히트펌프에서 발생되는 열을 지중으로 방출시키는 시스템으로 사용하고 있다.
또한, 공개특허공보 10-2007-0111606호 지중열을 이용한 난방 시스템은 지하 암반층에 형성된 시추공 내에 히트파이프를 설치하고, 히트파이프에 의해 얻어진 열을 이용하여 열교환 시켜 난방에 이용하도록 하는 것이며, 시추공 내에 히트파이프를 내설하되, 히트파이프와 시추공 내주벽 사이에 우레탄 발포재로 이루어진 방수 및 단열재를 충진하고, 상기 히트파이프 상단부에 열교환기를 설치하여 구성함을 특징으로 하는 것이다.
하지만, 상기의 발명에 경우 지상 외부에 노출되어 있는 열교환기에 의해 열이 방열되어 높은 효율을 얻지 못하고, 시추공 내부 상단에 방수 단열재만 설치되어 있어 열효율이 높지 않다는 문제점이 있다.
또한, 시추공 내벽에 관이 설치되지 않아 시간이 지남에 따라 히트파이프의 손상우려가 발생한다.
본 발명은 상기와 같이 제안된 내용을 개선하고자 다음과 같이 제시한 것으로,
본 발명은 지중열천공에 투자비가 상대적으로 많아 일반사업에서 보급하기 어려운 기술을 천공기술과 열교환기의 효율을 증가시켜야만 공사비를 절감시킬 수 있으므로 시추공이 형성된 지면에 스틸 관과 히트파이프가 일체형으로 이루어지고, 히트파이프의 일부가 외부와 접촉되어 암반층의 지중열을 곧바로 히트파이프로 전달되도록 하고, 모래부설층에 열교환기와 유체 관이 매설되어 열교환기와 유체 관이 외부로 노출된 상기의 기술보다 효율이 높으며, 스틸 관을 코팅함으로써 외부와의 접촉 면이 부식되지 않도록 하는 것을 목적이 있다.
또한, 히트파이프 내부에 열전달 물질을 충진하고, 최대한의 진공상태를 만들어 하단에서의 지중열을 똑같은 효율을 제공하는 목적이 있다.
또한, 유체 관을 최대한 짧게 하고, 히트파이프 상단에 접촉시켜 높은 효율을 제공함에 목적이 있다.
또한, 스틸 관과 히트파이프 사이에 보온/보냉제를 충진하여 히트파이프 하단으로 부터 얻어진 지중열을 외부로 방열시키지 않고 스틸 관 내부에서 지속시켜 최대의 효율로 높이는 것에 목적이 있다.
또한, 온도센서를 유체관에 설치하고, 유량컨트롤러를 구비하여 인,아웃 되는 유체의 온도에 따라 유량속도를 조절할 수 있도록 제공하는 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 지면에서 지하 시추공을 형성하여 토사층(30)과 암반층(40)에 매설되는 스틸 관(210)과, 스틸 관(210) 내부에 히트파이프(220)가 구비되며, 지하 암반층(40)의 지중열을 유체 관b(270)을 통해 전달하는 열전달부(200)와, 상기 열전달부(200)의 유체관a,b,c(270,271,272)에서 이동되는 유체를 열교환 시켜주기 위해 스틸 관(210) 상측 모래부설층(20)에 매설되는 열교환부(100)와, 상기 유체관a,c(270,272)에 온도센서a,b(320,330)가 구비되어 온도에 따른 유량을 조절하는 유량제어부(300)와, 상기 모래부설층(20) 상단에 지상으로부터 타 작업시 표토층(10)과 사이에 열교환장치(1)가 매설되어 있는지를 표시해주는 경고테이프(50)를 포함하여 구비된 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 스틸 관(210)은 토사층(30)과 암반층(40)에 함유된 수분으로 인해 부식됨을 방지하기 위해 스틸 관 코팅제(260)로 코팅되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히트파이프(220) 상단에 최단시간에 최대의 효율을 얻기 위해 스프링 방식의 유체관b(271)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 히트파이프(220)는 스틸 관(210)에 구비되며, 히트파이프(220)의 하단 일부분은 암반층(40)에 노출되어 직접적으로 지중열을 흡수하도록 하며, 히트파이프(220) 내부에 열전달 물질(240)이 진공상태로 충진되어 히트파이프(220) 상단과 하단의 온도를 유지하고, 마감캡(230)으로 접합시킴으로 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 암반층(40)에서 히트파이프(220) 하단으로 전도된 지중열이 상단에 위치한 유체관b(271)까지 이동될 때에 보온/보냉을 유지해주기 위해 스틸 관(210)과 히트파이프(220) 사이에 보온/보냉제(250)를 충진하고, 스틸 관 하단 내부에 접합링(281)을 구비하여 보온/보냉제(250)의 유출을 막아주는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 열교환부(100)는 열전달부(200)와 연결된 유체관a,c(270,272)가 모래부설층(20)에 매설된 열교환기(110)와 연결되어 암반층(40)에서 얻어진 지중열을 열교환 해주고, 상기 열교환기(110) 매설함으로써 소음을 잡아주며, 방열이 되지 않도록 하고, 모래부설층(20)으로 노출되는 유체관a,c(270,272) 외주면에 지중열이 방출되지 않도록 열차단 커버(120)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 유량제어부(300)는 온도센서a,b(320,330)를 통해 유체의 온도를 유지하며, 유체 온도에 따라 유량을 이동하기 위해 조절되는 유량컨트롤러(310)가 구비되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 나타난다.
상기 본 발명의 지중열을 이용한 일체형 스틸 관 및 히트파이프의 열교환장치로써, 토사층과 암반층에 매설되는 스틸 관의 외주면을 코팅제로 코팅됨으로 토사층과 암반층에 함유된 수분에 의한 부식을 방지해주는 효과를 제공한다.
또한, 스틸 관과 히트파이프 사이에 보온/보냉제를 충진하여 히트파이프 하단에서 전달되는 지중열이 방열되지 않고, 같은 온도로 유지하도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 히트파이프 내부에 열전달 물질을 최대한의 진공상태로 충진하여 열전달 효율을 높게 만드는 효과를 제공한다.
또한, 유체관이 히트파이프 상단에 짧은 길이로 구성되어 지중열이 방열되지 않고 빠르게 열교환기로 보내지도록 하는 효과를 제공한다.
또한, 열교환기에서 외부로부터 유입되고, 배출되는 유체관에 열전달커버가 구비되어 외부로 이동될 때에 방열되지 않도록 막아주는 효과를 제공한다.
또한, 외부로부터 유입되고, 배출되는 유체관에 온도센서가 구비되고, 유량컨트롤러가 구비되어 일정한 온도에 따라 유량변화를 줌으로써 효율을 극대화 시키는 효과를 제공한다.
또한, 열교환기가 지상에 설치되지 않고 모래부설층에 매설되어 지중열을 공급하는데 높은 효율을 제공하는 효과를 가진다.
도 1은 종래의 지중열 열교환기에 대한 설치상태도이다.
도 2는 종래의 지중열 열교환기에 대한 단면도이다.
도 3은 본 발명의 지중열을 이용한 스틸 관 및 히트파이프의 일체형 열교환장치에 대한 설치 사시도이다.
도 4은 본 발명의 지중열을 이용한 스틸 관 및 히트파이프의 일체형 열교환장치에 대한 단면도이다.
도 5은 본 발명의 지중열을 이용한 스틸 관 및 히트파이프의 일체형 열교환장치에 대한 지중열흐름도이다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 대해서 상세하게 설명한다.
본 발명의 종래기술에 대한 내용은 도 1과 도 2에서 나타내고 있으며, 본 발명의 장치구성은 도 3와 도 4에서 나타내고 있으며, 도 5에서는 본 발명의 지중열 흐름을 나타내고 있다.
상기 도 1과 도 2에서 보는 바와 같이, 종래의 열교환기 설치상태도와 단면도이며, 시추공을 형성하여 토사층(30)과 암반층(40)에 관을 매설하고, 관 내부에 유체가 유입되었다가 배출되는 U자형으로 이루어져 있으며, 유입되고 배출되는 관은 모래부설층(20)에 매설되었다.
하지만, 지중열을 흡수한 유체는 보온/보냉커버가 되어 있지 않아 모래부설층(20)에서 효율이 급격히 떨어지게 되는 구성으로 이루어져 있다.
상기 도 3과 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 열교환장치(1) 사시도와 단면도를 나타내고 있으며, 본 장치가 매설되는 층은 표토층(10)과 모래부설층(20)과 토사층(30)과 암반층(40)으로 나뉘며, 장치 구성으로는 지면에서 지하로 시추공을 형성하여 지하 토사층(30)과 암반층(40)에 스틸 관(210)을 매설하는 열전달부(200)와, 상기 모래부설층(20)에 매설되고, 열전달부(200)에 흡수된 지중열을 열교환 시켜주기 위해 구비되는 열교환부(100)와, 지상에서 타 작업시 지하에 장치가 매설되어 있음을 알려주기 위해 표토층(10)과 모래부설층(20) 사이에 구비되는 경고테이프(50)와, 유체 온도에 따른 유량을 조절하기 위한 유량제어부(300)로 나뉜다.
상기 열전달부(200)에는 지하에 시추공이 형성됨에 따라 형상에 맞게 스틸 관(210)이 삽입되어 구성되며, 스틸 관 외부의 부식을 방지하기 위해 스틸관 코팅제가 구비되며, 스틸 관(210) 내부에 히트파이프(220)가 구비되고, 히트파이프(220) 상단에 외주면에 유체관b(271)이 형성되고, 히트파이프(220) 내부에는 열전달 물질(240)이 진공상태로 충진되고, 열전달 물질(240) 충진 후 마감캡(230)으로 접합된다.
또한, 상기 스틸 관(210)과 히트파이프(220) 사이에 보온/보냉제(250)가 충진되고, 스틸 관(210) 상단에 스틸 관 마감커버(280)로 접합되고, 스틸 관(210) 내부 하단에 보온/보냉제(250)의 유출을 방지하기 위해 접합링(281)이 구성된다.
상기 열교환부(100)는 유체관b(271)에서 지중열을 흡수한 유체를 열교환 해주는 열교환기(110)가 구비되고, 유체관a(270)와 유체관c(272) 외주면에 열 차단커버(120)가 구비되는 것으로 구성된다.
또한, 상기 유량제어부(300)는 유체온도를 감지하는 온도센서a,b(320,330)가 구비되고, 온도에 따라 유체유량을 조절하는 유량컨트롤러(310)로 구성된다.
상기와 같이 본 발명 지중열을 이용한 일체형 스틸 관 및 히트파이프의 열교환장치의 장치 구성을 설명하였으며, 아래와 같이 장치연결 상태를 설명한다.
상기 도 3과 도 4에서 보는 바와 같이, 본 발명의 장치연결 상태는 지하 토사층과 암반층에 매설되는 열전달부(200)와 모래부설층(20)에 매설되는 열교환부(100)와 유량제어부(300)로 나눠지며, 상기 열전달부(200)는 스틸 관(210) 외주면에 스틸 관 코팅제(260)로 코팅되어 형성되는 것으로 외부에서의 수분에 의해 부식이 되지 않도록 방지해 줌으로 이루어진다.
상기 스틸관 코팅제(260)로 코팅된 스틸 관(210) 내부 중심에 히트파이프(220)가 결합되며, 히트파이프(220) 하단으로 열전달물질(240)을 최대한의 진공상태로 충진시키며, 마감 캡(230)을 용접 또는 볼트형식으로 접합시킨다.
상기 히트파이프(220)의 하단 일부분은 외부로 노출되도록 결합한다.
상기 일부분이 노출된 히트파이프(220)로 지중열을 직접 전달받는 것으로, 히트파이프(220)의 내부가 진공상태이기 때문에 상측의 온도와 하측의 온도가 똑같이 유지됨으로 빠른 열전달을 하는 것이다.
상기 결합 스틸 관(210)과 히트파이프(220) 사이에는 보온/보냉제(250)로 충진하고, 스틸 관(210) 하단에 접합링(281)으로 접합시켜 보온/보냉제(250)가 외부로 유출되지 않도록 하기 위해 구비되는 것이며, 상기 보온/보냉제(250)를 충진시킴으로 히트파이프(220) 하단에서 흡수된 지중열이 외부로 방열되지 않도록 하는 것으로 이루어진다.
상기 히트파이프(220) 상단에 유체관b(271)가 스프링형태로 결합되어 있으며, 히트파이프(220)의 전체가 아닌 상단에만 감아 형성시킴으로 빠른 열전달을 하기 위해 형성시킨 것이다.
상기 유체관b(271)가 형성되어 유체관a(270)와 유체관c(272)가 상측으로 형성되며, 스틸관 마감커버(280)로 스틸 관(210)이 마감되는 것이다.
상기 스틸 관 마감커버(280) 상측으로 돌출된 유체관a(270)와 유체관c(272)는 열교환기(110)에 연결하게 되며, 히트파이프(220)에서 얻어진 지중열을 유체가 유체관a(270)를 통해 유체관b(271)를 이동하며 지중열을 흡수하고, 흡수된 유체를 유체관c(272)를 통해 열교환기(110)로 이동되게 되는 것이다.
따라서, 상기 지중열을 흡수한 유체는 열교환기(110)에서 열교환이 이루어지며, 유체관c(272)를 통해 외부로 보내지는 것이다.
상기 유체관a(270)와 유체관c(272)를 통해 유입되고, 배출되는 유체의 온도를 감지하기 위해 온도센서a,b(320,330)가 결합되어 있으며, 유체 온도를 감지한 데이터는 열교환기(110) 일측에 구비되어 있는 유량컨트롤러(310)로 보내지게 되며, 유량을 제어하게 되는 것이다.
상기 유량을 조절함에 따라 단시간에 최대의 효율을 높이는 것으로 유체가 이동 할 때에 유체관a,c(270,272)에서 방열을 방지하기 위해 유체관a,c(270,272) 외주면에 열 차단커버(120)가 씌워져 있어 높은 효율을 제공하는 것이다.
또한, 열교환기(110)가 지하에 매설됨에 따라 소음 및 지중열의 방열을 방지하는 것이다.
상기 경고테이프(50)는 지상에서의 타 작업시 현재작업 지하에 열교환장치(1)가 매설되어 있다는 것을 표시해주기 위해 표토층(10)과 모래부설층(20) 사이에 구비시키는 것으로 작업자에게 알려주는 것이다.
상기 도 5에서 보는 바와 같이, 지중열이 히트파이프로 전도되어 열교환하여 외부로 배출되는 흐름을 나타내고 있다.
상기 유체의 흐름은 외부에서의 유체가 유체관a(270)를 통해 유입되며, 히트파이프(220) 상단에 형성되어 있는 유체관b(271)를 통해 유체관c(272)로 배출되는 것이며, 이때, 지중열을 흡수한 히트파이프(220) 내부의 지중열이 유체관b(271)로 전달되며, 유체가 열교환기(110)로 전달되는 것으로 이루어진다.
상기 히트파이프(220)로 전달된 지중열이 외부로 방열되지 않도록 스틸 관(210)과 히트파이프(220) 사이에 보온/보냉제(250)가 충진되어 보온/보냉효과를 더해주는 것이다.
따라서, 지중열을 제공하는 효율을 극대화시키기 위한 장치이다.
1. 열교환장치 10. 표토층
20. 모래부설층 30. 토사층
40. 암반층 50. 경고테이프
100. 열 교환부 110. 열 교환기
120. 열 차단커버
200. 열전달부 210. 스틸 관
220. 히트파이프 230. 마감 캡
240. 열전달물질 250. 보온/보냉제
260. 스틸관 코팅제 270. 유체관a
271. 유체관b 272. 유체관c
280. 스틸관 마감커버 281. 접합링
300. 유량제어부 310. 유량컨트롤러
320. 온도센서a 330. 온도센서b

Claims (7)

  1. 지면에서 지하 시추공을 형성하여 토사층(30)과 암반층(40)에 매설되고, 상기 토사층(30)과 암반층(40)에 함유된 수분으로 인해 부식됨을 방지하기 위해 스틸관 코팅제(260)로 코팅되는 스틸 관(210)과, 스틸 관(210) 내부에 히트파이프(220)가 구비되며, 지하 암반층(40)의 지중열을 유체 관b(270)을 통해 전달하는 열전달부(200);
    상기 열전달부(200)의 유체관a,b,c(270,271,272)에서 이동되는 유체를 열교환 시켜주기 위해 스틸 관(210) 상측 모래부설층(20)에 매설되는 열교환부(100);
    상기 유체관a,c(270,272)에 온도센서a,b(320,330)가 구비되어 온도에 따른 유량을 조절하는 유량제어부(300);
    상기 모래부설층(20) 상단에 지상으로부터 타 작업시 표토층(10)과 사이에 열교환장치(1)가 매설되어 있는지를 표시해주는 경고테이프(50);
    를 포함하여 구비된 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 일체형 스틸 관과 히트파이프의 열교환장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트파이프(220) 상단에 최단시간에 최대의 효율을 얻기 위해 스프링 방식의 유체관b(271)가 구비되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 일체형 스틸 관과 히트파이프의 열교환장치.

  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 히트파이프(220)는 스틸 관(210)에 구비되며, 히트파이프(220)의 하단 일부분은 암반층(40)에 노출되어 직접적으로 지중열을 흡수하도록 하며, 히트파이프(220) 내부에 열전달 물질(240)이 진공상태로 충진되어 히트파이프(220) 상단과 하단의 온도를 유지하고, 마감캡(230)으로 접합시킴으로 형성되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 일체형 스틸 관과 히트파이프의 열교환장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 암반층(40)에서 히트파이프(220) 하단으로 전도된 지중열이 상단에 위치한 유체관b(271)까지 이동될 때에 보온/보냉을 유지해주기 위해 스틸 관(210)과 히트파이프(220) 사이에 보온/보냉제(250)를 충진하고, 스틸 관 하단 내부에 접합링(281)을 구비하여 보온/보냉제(250)의 유출을 막아주는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 일체형 스틸 관과 히트파이프의 열교환장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환부(100)는 열전달부(200)와 연결된 유체관a,c(270,272)가 모래부설층(20)에 매설된 열교환기(110)와 연결되어 암반층(40)에서 얻어진 지중열을 열교환 해주고, 상기 열교환기(110) 매설함으로써 소음을 잡아주며, 방열이 되지 않도록 하고, 모래부설층(20)으로 노출되는 유체관a,c(270,272) 외주면에 지중열이 방출되지 않도록 열차단 커버(120)가 구비되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 일체형 스틸 관과 히트파이프의 열교환장치.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 유량제어부(300)는 온도센서a,b(320,330)를 통해 유체의 온도를 유지하며, 유체 온도에 따라 유량을 이동하기 위해 조절되는 유량컨트롤러(310)가 구비되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 일체형 스틸 관과 히트파이프의 열교환장치.

  7. 삭제
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