KR101041221B1 - 지열히트펌프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열히트펌프에 관한 것으로, 더욱 상게하게는 지중에 매설된 지중열교환유닛, 상기 지중열교환유닛과 연결된 히트펌프유닛(20), 상기 지중열교환유닛과 히트펌프유닛을 연결하여 지열수, 냉매 및 냉온수를 순환시키기 위한 배관과, 상기 배관에 연결되는 온도측정수단 및 시스템 제어를 가능하게 하는 컨트롤러를 포함하여 이루어져, 지열수, 냉온수 및 냉매의 순환을 위한 배관 내부에 온도측정수단을 설치하여 각 배관 내의 실제 유체 온도를 정확하게 측정할 수 있어 가동 중인 시스템의 이상 상태유무를 오류 없이 감시 및 판단하는 것이 가능하고, 또한 이를 통하여 정확한 시스템의 관리 및 제어가 가능하여 시스템을 효율적으로 운용할 수 있는 지열히트펌프를 제안하고자 한다.

Description

지열히트펌프{GEOTHERMAL HEAT PUMP}

본 발명은 배관 내부에 내장된 온도측정수단이 구비된 지열히트펌프에 관한 것으로, 종래에 지열히트펌프에서는 온도관리를 위하여 각종 배관의 외부에 온도센서를 설치하여 온도를 감지하였으나, 이러한 경우 냉매나 냉온수의 실제 온도를 정확하게 측정하는 것이 어렵다는 문제를 극복하기 위해 본 발명은 지열수, 냉온수 및 냉매의 순환을 위한 배관 내부에 온도측정수단을 설치하여 각 배관 내의 실제 유체 온도를 정확하게 측정할 수 있어 가동 중인 시스템의 이상 상태유무를 오류 없이 감시 및 판단하는 것이 가능하고, 또한 이를 통하여 정확한 시스템의 관리 및 제어가 가능하여 시스템을 효율적으로 운용할 수 있는 것을 특징으로 한다.

일반적으로 지열히트펌프는 시스템 내의 냉온수측 및 지열측 열교환기를 통해 열전달 방식에 의해 냉난방을 하게 되는데,

냉온수측이나 지열측의 열교환기는 인입온도의 변화가 커 압축기의 부하변동이 심해지고, 고온고압의 냉매가스의 온도변화도 크게 되어 지열히트펌프의 고장이나 운행 중지가 자주 발생할 뿐만 아니라, 압축기의 수명 또한 짧아지게 하는 문제가 있다.

또한 종래의 지열히트펌프 시스템은 설치 특성상 냉온수나, 지열, 냉매 배관 내에 이물질이 자주 발생하고, 이러한 이물질은 열교환기 사이에 부분 부분 끼어 있어 열교환기의 인입온도와 표출온도와의 차이를 크게 하는 원인으로 작용하여 열교환기의 동파나 압축기 파손의 원인이 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 냉온수, 지열수 및 냉매의 배관 표면에 온도센서를 설치하여 시스템의 운전조건 및 경보조건을 설정하고 있으나,

상기 종래의 방식은 배관의 표면온도와 배관 내의 유체의 실제온도와 차이가 커 근본적인 원인을 해결하지 못하는 한계가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로,

지열수, 냉온수 및 냉매의 순환을 위한 배관 내부에 온도측정수단을 설치하여 각 배관 내의 실제 유체 온도를 정확하게 측정할 수 있어 가동 중인 시스템의 이상 상태유무를 오류 없이 감시 및 판단하는 것이 가능하고, 또한 이를 통하여 정확한 시스템의 관리 및 제어가 가능하여 시스템을 효율적으로 운용할 수 있는 것을 하나의 목적으로 한다.

또한 본 발명은 온도측정수단의 케이싱이 제1 및 제2 케이스로 구성된 이중구조로 이루어지고, 제1 케이스로부터 제2 케이스의 인출입이 가능하게 하는 결합수단이 구비되어 배관 내에 내장된 온도센서의 교체나, 청소와 같은 유지관리 작업이 쉽고 용이하도록 하는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

더 나아가 본 발명은 배관을 이중관구조, 즉 내관과 보온재인 에어로플렉스관으로 구성되어 보온단열효율을 향상시켜 배관의 열손실을 방지하고, 결로방지 성능 또한 향상시키는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

또한 본 발명은 배관의 보온단열효율을 극대화시키기 위해 보호커버가 가압수단에 의하여 에어로플렉스관을 압박하여 내관과 에어로플렉스관과의 밀착을 견고히 하고,

아울러 가압수단의 구조가 간단하고, 또한 가압수단에 의한 보호커버의 압박과 압박의 해제동작이 간편하고 용이하여 배관의 보온단열시공 시간을 단축시키는 것을 또 하나의 목적으로 한다.

본 발명에 따른 지열히트펌프는 지중에 매설된 지중열교환유닛; 상기 지중열교환유닛과 열교환을 통하여 냉난방을 가능하게 하는 히트펌프유닛; 상기 지중열교환유닛과 히트펌프유닛을 연결하여 지열수, 냉매 및 냉온수를 순환시키고, 각 유체의 공급 및 환수 지점에 설치공이 형성된 배관; 상기 배관의 설치공 주변에 연결된 케이싱과, 상기 케이싱에 삽입 고정되고, 상기 설치공을 관통하여 상기 배관 내부에 내장되는 온도센서를 포함하는 온도측정수단; 및 상기 온도측정수단에 의하여 측정된 각 지점의 온도가 입력되는 온도입력부와, 상기 온도입력부에 의하여 측정된 유체의 공급 및 환수 온도차에 따라 경보를 발하는 알림부와, 상기 알림부의 경보에 따라 히트펌프유닛을 개폐시키기 위한 스위칭소자를 포함하는 컨트롤러;를 포함하여 이루어진다.

본 발명에 따른 상기 배관은 유체 유동을 위한 내관과, 상기 내관을 감싸는 에어로플렉스관를 포함하는 이중관구조로 구성되며,

상기 에어로플렉스관을 감싸 상기 내관과의 밀착성을 보장하기 위한 보호커버가 더 구비되고,

상기 보호커버에는 상기 에어로플렉스관에 압력을 가하기 위한 가압수단이 더 구비되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 가압수단은 상기 보호부재의 양측단부를 절곡하여 마주하도록 형성된 제1 및 제2 결합부와, 상기 제1 결합부에 힌지 결합된 지지부재와, 상기 제2 결합부에 형성되고, 상기 지지부재가 삽입되는 장착홈과, 상기 지지부재의 단부에 연결된 고정판과, 상기 지지부재를 따라 이동 가능하도록 구비되고, 상기 제2 결합부의 외측 방향으로 배열된 가동판과, 상기 고정판과 상기 가동판 사이에 배열된 탄성부재를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 온도측정수단의 케이싱은 상기 배관의 설치공 주변에 연결되고, 중공부를 갖는 제1 케이스와, 상기 제1 케이스의 중공부에 삽입되고, 상기 온도센서가 삽입 고정되는 제2 케이스와, 상기 각 케이스에는 상호간에 결합 및 분리를 가능하게 하는 결합수단을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 결합수단은 상기 제1 케이스의 내측면과 상기 제2 케이스의 외측면에 형성되고, 상호 대응하는 나선부와 비나선부를 포함하며,

상기 각 케이스의 나선부가 서로 맞물리면 상기 제1 케이스에 상기 제2 케이스가 결합 고정되고,

상기 각 케이스의 나선부에 비나선부가 위치하게 되면 상기 제1 케이스로부터 상기 제2 케이스의 분리가 가능한 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 상기 컨트롤러에는 3상 교류전원이 공급을 위한 전원공급부가 더 구비되고,

상기 전원공급부와 연결되어 교류전류를 직류전류로 전환하여 상기 스위칭소자로 전류를 공급하기 위한 파워서플라이가 구비되며,

상기 전원공급부와 파워서플라이를 연결하여 컨트롤러에 과부하가 인가되는 것을 방지하기 위한 서멀릴레이가 더 구비되고,

상기 압축기와 연결된 고압 및 저압압력계와 각 스위치가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 지열히트펌프는 지열수, 냉온수 및 냉매의 순환을 위한 배관 내부에 온도측정수단을 설치하여 각 배관 내의 실제 유체 온도를 정확하게 측정할 수 있어 가동 중인 시스템의 이상 상태유무를 오류 없이 감시 및 판단하는 것이 가능하고, 또한 이를 통하여 정확한 시스템의 관리 및 제어가 가능하여 시스템을 효율적으로 운용할 수 있게 된다.

또한 본 발명은 온도측정수단의 케이싱이 제1 및 제2 케이스로 구성된 이중구조로 이루어지고, 제1 케이스로부터 제2 케이스의 인출입이 가능하게 하는 결합수단이 구비되어 배관 내에 내장된 온도센서의 교체나, 청소와 같은 유지관리 작업이 쉽고 용이해진다.

더 나아가 본 발명은 배관을 이중관구조, 즉 내관과 보온재인 에어로플렉스관으로 구성되어 보온단열효율을 향상시켜 배관의 열손실을 방지하고, 결로방지 성능 또한 향상시킬 수 있게 된다.

또한 본 발명은 배관의 보온단열효율을 극대화시키기 위해 보호커버가 가압수단에 의하여 에어로플렉스관을 압박하여 내관과 에어로플렉스관과의 밀착을 견고히 하고,

아울러 가압수단의 구조가 간단하고, 또한 가압수단에 의한 보호커버의 압박과 압박의 해제동작이 간편하고 용이하여 배관의 보온단열시공 시간을 단축시킬 수 있게 된다.

도 1은 본 발명에 따른 지열히트펌프를 나타내는 계통도,
도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 지열히트펌프에서 온도측정수단을 나타내는 단면도 및 작동도,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 지열히트펌프에서 다중단열관을 나타내는 사시도 및 작동도,
도 6은 본 발명에 따른 지열히트펌프에서 컨트롤러를 나타내는 계통도.

본 발명에 따른 지열히트펌프를 첨부된 도 1 내지 도 6을 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지열히트펌프는

지중에 매설된 지중열교환유닛(10), 상기 지중열교환유닛(10)과 연결된 히트펌프유닛(20), 상기 지중열교환유닛(10)과 히트펌프유닛(20)을 연결하는 배관(30), 상기 배관(30)에 연결되는 온도측정수단(40) 및 시스템 제어를 가능하게 하는 컨트롤러(50)를 포함하여 이루어진다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지열히트펌프에서, 상기 지중열교환유닛(10)은

지중에 매설되는 'U'형태의 열교환 파이프(11)가 히트펌프유닛(20)의 지열측 열교환기(20A)와 연결되어 냉매의 순환을 통하여 지열을 흡수하거나 또는 지중을 열을 방출시키는 역할을 한다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지열히트펌프에서, 상기 히트펌프유닛(20)은

상기 지중열교환유닛(10)과 열교환을 통하여 가정이나 사무실 등에 냉온수를 순환 공급하여 가정이나 사무실 등의 난방 또는 냉방을 가능하게 한다.

상기 히트펌프유닛(20)은 상기 지중열교환유닛(10)과 연결되는 지열측 열교환기(20A)와,

상기 지열측 열교환기(20A)와 연결되는 팽창밸브(25)와, 상기 팽창밸브(25)와 연결되는 냉온수측 열교환기(20B)와, 상기 제1 및 냉온수측 열교환기(20B)와 연결되는 사방밸브(23)와, 그리고 상기 사방밸브(23)와 연결되는 압축기(21)를 포함하여 이루어진다.

그리고 상기 히트펌프유닛(20)은 상기 냉온수측 열교환기(20B)와 연결된 냉난방시스템(미도시), 즉 주택이나 사무실 등에 구비된 팬코일유닛(미도시)이나, 또는 바닥 난방코일(미도시)에 열원(냉온수)을 공급하여 난방 및 냉방 운전을 가능하게 한다.

그리고 상기 히트펌프유닛(20)을 이용한 난방 운전의 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이

상기 냉온수측 열교환기(20B)가 응축기 역할을 하게 되고, 상기 지열측 열교환기(20A)가 증발기 역할을 하게 되는데,

이때 상기 압축기(21)에서 고온, 고압으로 압축된 냉매를 기화시켜 상기 사방밸브(23)를 통하여 상기 냉온수측 열교환기(20B)로 공급하게 된다.

따라서 상기 냉온수측 열교환기(20B)에서는 기화된 냉매를 액화시키면 열에너지를 방출하고,

이렇게 방출된 열은 상기 냉난방시스템으로 공급되어 난방이 이루어지게 된다.

다음으로 상기 히트펌프유닛(20)을 이용한 냉방 운전의 경우에는 도 1에 도시된 바와 같이

상기 냉온수측 열교환기(20B)가 증발기 역할을 하게 되고, 상기 지열측 열교환기(20A)가 응축기 역할을 하게 되는데,

이때 상기 지열측 열교환기(20A)에 의하여 응축된 냉매가 상기 팽창밸브(25)를 통하여 상기 냉온수측 열교환기(20B)로 공급된다.

따라서 상기 냉온수측 열교환기(20B)에서는 액체 냉매가 기화되면서 열에너지를 흡수하여 주변의 온도를 낮추게 되고,

이렇게 냉각된 공기는 상기 냉난방시스템으로 공급되어 냉방이 이루어지게 된다.

더 나아가 상기 히트펌프유닛(20)에는 급탕용 열교환기(미도시)와 연결될 수 있고,

이 경우 상기 급탕용 열교환기는 난방 시에는 상기 지열측 열교환기(20A)와, 냉방 시에는 상기 냉온수측 열교환기(20B)와 압축기(21)를 통하여 과열원이 공급되고,

이때 상기 급탕용 열교환기는 급탕탱크에 열원을 공급하여 급탕탱크(미도시) 내의 물을 가열시키게 된다.

그리고 상기 지중열교환유닛(10)과 상기 지열측 열교환기(20A) 사이에는 지열 순환펌프가 연결되고,

상기 냉온수측 열교환기(20B)와 냉난방시스템 사이에는 냉온수 순환펌프가 연결되며,

상기 급탕용 열교환기와 급탕탱크 사이에는 급탕용 순환펌프가 연결되어 열원을 각 지점으로 순환 공급하게 된다.

더 나아가 상기 히트펌프유닛(20)에는 상기 각 순환펌프와 접점을 형성하는 컨트롤러(50)가 구비되어 있어 상기 각 순환펌프를 순차 또는 이시적으로 제어할 수 있어 효율적인 장치의 운전이 가능하게 된다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지열히트펌프에서, 상기 배관(30)은

상기 지중열교환유닛(10)과 히트펌프유닛(20)을 연결하고, 냉매 및/또는 냉각수를 순환시키는 역할을 한다.

즉 상기 배관(30)은 상기 지중열교환유닛(10)과 히트펌프유닛(20)의 지열측 열교환기(20A)간의 지열수 순환을 위한 지열수관,

그리고 상기 히트펌프유닛(20)의 제1 및 냉온수측 열교환기(20B)간의 냉매 순환을 위한 냉매관과,

상기 히트펌프유닛(20)의 냉온수측 열교환기(20B) 냉난방시스템 상호간의 냉온수 순환을 위한 냉온수관으로 구성된다.

그리고 상기 배관(30), 즉 각 지열수관, 냉매관 및 냉온수관에는 여러 지점에 설치공(30a)이 형성되는데,

상기 설치공은 지열수, 냉매 및 냉온수가 공급되고, 환수되는 지점에 각각 구비되어 온도측정수단의 온도센서가 배관 내에 내장될 수 있게 한다.

따라서 상기 배관(30)은 지열수관, 냉매관 및 냉온수관 등을 포함하는 광의의 개념이며,

이하에서는 상기 배관(30)의 열손 방지와 보온단열효율을 향상시키기 위해 도입된 이중관구조와, 보호커버(60)에 관한 구성에 관하여 기술하기로 한다.

우선 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 배관(30)은 결로방지와 보온성능을 향상시키기 위해 이중관구조로 구성되는데,

상기 배관(30)은 유체 유동을 위한 내관(31)과,

상기 내관(31)을 감싸는 에어로플렉스관(33)을 포함하여 이루어진다.

상기 에어로플렉스관(33)은 고무발포 보온재로서 상기 내관(31)을 순환하는 냉온수 또는 냉매를 외부와의 열교환을 차단하여 단열시킴으로써 외기와의 접촉을 통한 열손실을 방지하고,

또한 우수한 결로방지 성능을 갖추고 있어 별도의 방습층을 형성하지 않고 배관(30)을 마감하는 것을 가능하게 한다.

다음으로 도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이 본 발명에는 상기 에어로플렉스관(33)을 감싸고, 압착하기 위한 보호커버(60)가 더 구비되는데,

상기 보호커버(60)는 내관(31)의 외측면을 감싸는 에어로플렉스관(33)이 내관(31)을 내측 방향으로 압박하도록 함으로써 내관(31)과 에어로플렉스관(33)이 서로 빈틈없이 밀착되도록 하여 배관(30)의 보온단열효율을 높일 수 있게 한다.

그리고 에어로플렉스관(33)의 압박력은 상기 보호커버(60)에 형성된 가압수단(PM)에 의하여 가능하게 되는데,

상기 가압수단(PM)은 상기 보호커버(60)의 양측단부를 절곡하여 마주하도록 형성된 제1 및 제2 결합부(62)와,

상기 제1 결합부(61)에 힌지 결합된 지지부재(63)와,

상기 제2 결합부(62)에 형성되고, 상기 지지부재(63)가 삽입되는 장착홈(62a)과,

상기 지지부재(63)의 단부에 연결된 고정판(64)과,

상기 지지부재(63)를 따라 이동 가능하도록 구비되고, 상기 제2 결합부(62)의 외측 방향으로 배열된 가동판(65)과,

상기 고정판(64)과 상기 가동판(65) 사이에 배열된 탄성부재(66)를 포함하여 이루어진다.

상기 지지부재(63)는 환형의 봉 형태로 이루어져 상기 제1 결합부(61)(또는 제2 결합부(62))에 힌지 결합되는데,

상기 제1 결합부(61)에는 동작홈(61a)이 형성되어 상기 지지부재(63)의 선회 동작 시 지지부재(63)의 동작을 보장하고,

상기 동작홈(61a)의 양측부, 즉 상기 제1 결합부(61)의 외측면에는 홀 형태의 힌지결합부(61b)가 형성되며, 상기 지지부재(63)의 단부에는 상기 각 힌지결합부(61b)에 삽입되는 선회축(63a)이 지지부재(63)와 직교하는 형태로 연결되어 상기 지지부재(63)의 선회동작을 가능하게 한다.

그리고 상기 장착홈(62a)은 상기 제2 결합부(62)(또는 제1 결합부(61))에 형성되되,

상기 동작홈(61a)과 동일한 위치에 형성되어 상기 지지부재(63)를 제2 결합부(62) 쪽으로 선회시켜 적히는 경우 상기 장착홈(62a)에 지지부재(63)가 안치된다.

상기 가동판(65)은 중심부에 관통공(65a)이 형성되고, 상기 관통공(65a)을 통하여 지지부재(63)와 연결됨으로써 상기 가동판(65)은 지지부재(63)를 따라 이동할 수 있으며,

상기 고정판(64)은 상기 가동판(65)이 지지부재(63)와 연결된 후, 지지부재(63)의 단부에 연결되어 고정된다.

상기 탄성부재(66)는 코일스프링으로 상기 지지부재(63)를 감싸고, 상기 고정판(64)과 가동판(65) 사이에 배열되어 상기 고정판(64)과 가동판(65)을 탄성 지지하게 되는데,

이때 상기 고정판(64)은 지지부재(63)에 고정되어 있어 동작하지 않는 반면에,

상기 가동판(65)은 탄성부재(66)의 인장력에 의하여 지지부재(63)를 따라 이동하게 된다.

따라서 상기 가동판(65)은 상기 제2 결합부(62)의 장착홈(62a) 주변을 가압하여 보호커버(60) 전체가 에어로플렉스관(33)을 내측 방향으로 압박하게 되는데,

이러한 압박력을 보다 효과적으로 발휘하도록 하기 위하여 상기 보호커버(60)는 가압수단(PM)에 의하여 압력을 받을 때 각 결합부의 내측면이 맞닿지 않도록 에어플렉스관의 직경보다 작도록 형성되는 것이 바람직하다.

더 나아가 상기 보호커버(60)에 의한 압박을 해제하기 위해 상기 가압수단(PM)을 분리하는 경우 분리작업이 용이하도록 상기 가동판(65)에는 파지부(65b)가 형성되는 것이 바람직한데,

이는 작업자가 상기 파지부(65b)를 손으로 잡고, 가동판(65)을 압력 방향과 반대 방향으로 잡아당겨 지지부재(63)를 반대 방향성을 선회시켜 가압수단(PM)을 쉽게 풀 수 있도록 하기 위함이다.

그리고 상기 가압수단(PM)은 상기 보호커버(60)의 길이방향으로 따라 다수로 배열되고, 이때 보호커버(60)에 의한 배관(30)의 압박이 균일하게 유지될 수 있도록 적절한 간격을 두고 배열되는 것이 바람직하다.

따라서 상기 보호커버(60)와 가압수단(PM)은 배관(30)의 압박을 통한 보온단열효율을 향상시킬 뿐만 아니라,

상기 가압수단(PM)의 구조가 간단하고, 또한 보호커버(60)의 압박과 압박의 해제동작이 간편하고 용이하여 상기 배관(30)의 보온단열시공(施工)시간을 단축시킬 수 있게 된다.

도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지열히트펌프에서, 상기 온도측정수단(40)은

상기 배관(30)의 설치공(30a) 주변에 연결된 케이싱(41)과, 상기 케이싱(41)에 삽입 고정되고, 상기 설치공(30a)을 관통하여 상기 배관(30) 내부에 내장되는 온도센서(43)가 구비되어 시스템 가동 중에 배관(30) 내부를 순환하는 냉매나 내온수의 실제 온도를 정확하게 측정하는 것을 가능하게 한다.

일반적으로 지열히트펌프 시스템은 시스템 내의 냉온수측 및 지열측 열교환기(20A)(20A)를 통해 열전달 방식에 의해 냉난방을 하게 되는데,

냉온수측이나 지열측의 열교환기는 인입온도의 변화가 커 압축기의 부하변동이 심해지고, 고온고압의 냉매가스의 온도변화도 크게 되어 지열히트펌프의 고장이나 운행 중지가 자주 발생할 뿐만 아니라, 압축기의 수명 또한 짧아지게 하는 문제가 있다.

또한 종래의 지열히트펌프 시스템은 설치 특성상 지열수, 냉온수 및 냉매 배관 내에 이물질이 자주 발생하고, 이러한 이물질은 열교환기 사이에 부분 부분 끼어 있어 열교환기의 인입온도와 표출온도와의 차이를 크게 하는 원인으로 작용하여 열교환기의 동파나 압축기 파손의 원인이 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 종래에는 지열수, 냉매 및 냉온수 배관 표면에 온도센서를 설치하여 시스템의 운전조건 및 경보조건을 설정하고 있으나,

상기 종래의 방식은 배관의 표면온도와 배관 내의 유체의 실제온도와 차이가 커 근본적인 원인 해결이 어렵기 때문에

본 발명은 보다 직접으로 배관 내의 유체온도를 측정하기 위해 상기 온도측정수단을 도입하여 상기한 바와 같은 문제를 근본적으로 해결하고자 한다.

즉 본 발명에 따른 온도측정수단(40)의 케이싱(41)은 상기 각 배관(30)에서 유체의 공급과 환수되는 지점에 형성된 설치공 내부에 내장되는 온도센서(43)를 고정 지지하는 역할 동시에,

상기 온도센서(43)를 배관(30) 밖으로 인출 가능하게 하여 온도센서(43)의 교체나 유지보수를 위한 작업을 가능하게 한다.

이를 위한 상기 케이싱(41)은 상기 배관(30)의 설치공(30a) 주변에 연결되고, 중공부(41a)를 갖는 제1 케이스(41A)와, 상기 제1 케이스(41A)의 중공부(41a)에 삽입되고, 상기 온도센서(43)가 삽입 고정되는 제2 케이스(41B)로 구성된 이중관구조로 이루어지고,

상기 각 케이스(41A)(41B)에는 결합수단(JM)이 구비되어 케이스 상호간에 결합 및 분리를 가능하게 한다.

즉 상기 결합수단(JM)은 상기 제1 케이스(41A)의 내측면과 상기 제2 케이스(41B)의 외측면에 형성되고, 상호 대응하는 나선부(S)와 비나선부(NS)를 포함하는데,

상기 각 케이스(41A)(41B)의 나선부(S)와 비나선부(NS)는 각 케이스(41A)(41B)의 원주면에 번갈아 배열된다.

이때 상기 각 케이스(41A)(41B)의 나선부(S)와 나선부(S)가 서로 맞물리면 상기 제1 케이스(41A)에 상기 제2 케이스(41B)가 결합 고정되고,

각 케이스(41A)(41B)가 결합된 상태에서 상기 제2 케이스(41B)를 일정 각도 회전시켜 상기 각 케이스(41A)(41B)의 나선부(S)(또는 비나선부(NS))에 비나선부(NS)(또는 나선부(S))가 위치하게 되면 상기 제1 케이스(41A)로부터 상기 제2 케이스(41B)가 분리되어 인출하는 것이 가능하게 된다.

반대로 상기 제2 케이스(41B)가 분리된 상태에서 상기 각 케이스(41A)(41B)의 나선부(S)(또는 비나선부(NS))의 위치에 비나선부(NS)(또는 나선부(S))를 배열시켜 제1 케이스(41A)에 제2 케이스(41B)를 인입시키고,

상기 제2 케이스(41B)를 일정 각도 회전시켜 각 케이스의 나선부(S)들끼리 서로 맞물리도록 하면 각 케이스(41A)(41B)는 결합 고정된다.

따라서 상기 결합수단(JM)은 각 케이스(41A)(41B) 상호간의 결합과 분리가 가능하여 온도센서(43)가 고장이나 파손으로 교체하여야 하거나,

또는 배관(30) 내의 이물질이 온도센서(43) 부착되어 민감도가 떨어져 청소와 같은 유지보수 작업의 필요 시 온도센서(43)가 고정된 제2 케이스(41B)를 제1 케이스(41A)로부터 쉽고 간편하게 인출하여 온도센서(43)의 교체나 유지보수 작업을 가능하게 하고,

또한 작업 후에도 제2 케이스(41B)를 제1 케이스(41A)에 삽입하여 고정시키는 작업을 신속하고도 간단하게 할 수 있어 작업성을 향상시킬 수 있게 된다.

더 나아가 상기 제1 케이스(41A)에 제2 케이스(41B)가 삽입 고정되는 경우 배관의 설치공(30a)으로 냉온수나 냉매가 누수되는 것을 방지하기 위해

상기 설치공(30a) 주변에는 환형의 안착돌기(30b)가 구비되고,

상기 안착돌기(30b) 상면부와 상기 제2 케이스(41B)의 하면부에는 오링 형태의 밀폐부재(45)가 구비되어 유체가 누설되는 것을 방지하게 된다.

그리고 상기 제2 케이스(41B)의 상단면, 또는 온도센서(43) 상단면에는 제2 케이스(41B)를 회전시킬 수 있도록 일자 또는 십자 형태의 홈(47)이 형성되어 있어 드라이버(미도시)와 같은 공구를 이용하여 제2 케이스(41B)를 회전시켜 상기 제1 케이스(41A)에 체결하거나 또는 분리할 수 있게 된다.

도 1에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 지열히트펌프에서, 상기 컨트롤러(50)는

상기 온도측정수단(40)에 의하여 정확하게 측정된 온도에 따라 열량 및 전력량을 측정하고, 이에 따라 지열히트펌프의 성능 및 그 변화 상태를 감지하여 제어함으로써 고효율의 운전을 가능하게 한다.

상기 컨트롤러(50)는 상기 배관(30)의 여러 지점에 위치하는 온도측정수단(40)의 온도센서(43)와 연결되어 온도센서(43)에 의하여 배관(30) 내의 유체의 실제온도, 즉 수시로 변화하는 지열수, 냉매 및 냉온수의 온도를 정확하게 감지하여

시스템의 성능 변화, 지열수의 공급, 환수온도차 및 냉온수의 공급, 환수온도차에 의한 인입유량 부족을 분석하고,

또한 시스템 내의 열교환기 및 압축기(21)의 보호를 위해 경보발생 및 압축기(21) 작동을 제어하게 된다.

아울러 상기 컨트롤러(50)는 각 부위의 온도 상태에 따라 냉매유로상의 기기 이상상태를 조사 및 분석에 의해 그 원인을 파악 및 조치 후 시스템을 재가동하게 된다.

도 6에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 상기 컨트롤러(50)는

지열수 공급 및 환수 온도, 냉매 토출 온도, 냉온수 공급 및 환수 온도, 팽창밸브 앞 및 뒤 온도, 급탕온도가 입력되는 온도입력부(51)와,

상기 압축기의 압력 이상, 서멀릴레이 이상, 전원과 연결된 모터의 이상(역상/결상), 플로우스위치 이상, 압축기 토출온도의 이상 시 경보 신호를 발하는 알림부(52)와,

그리고 압축기, 사방밸브, 팽창밸브, 지열순환펌프, 냉난방순환펌프, 급탕순환펌프, 급탕밸브, 전열선 등과 연결되어 이들을 온/오프시키기 위한 스위칭소자(53)를 포함하여 이루어진다.

상기 컨트롤러(50)는 상기 온도입력부(51)는 상기한 바와 같이 온도측정수단이 구비된 지점에서의 온도가 입력되어 유체의 공급 및 환수 시 입력된 온도 차이에 의하여 인입유량부족을 분석하고,

또한 상기 알림부(52)에서는 히트펌프 내의 열교환기, 압축기, 사방밸브 및 팽창밸브를 보호하기 위해 경보를 발생하게 되며,

상기 스위칭소자(53)에서는 이상 발생 시 정지신호를 발하여 히트펌프의 가동을 정지시키게 된다.

그리고 상기 컨트롤러(50)에는 3상 교류전원이 공급되는 전원공급부(55)와, 상기 전원공급부(55)와 연결되어 교류전류를 직류전류로 전환하여 스위칭소자(53), 컨트롤 패널(54) 등으로 전류를 공급하기 위한 파워서플라이(56)가 구비되며,

또한 상기 전원공급부(55)와 파워서플라이(56)는 서멀릴레이(57)로 연결되어 컨트롤러(50)에 과부하가 인가되는 것을 방지하게 된다.

이때 각 부위의 온도 상태에 따라 냉매유로상의 기기 이상상태를 조사 및 분석하여 그 원인을 파악하고, 조치하여 시스템을 재가동시키게 된다.

더 나아가 도 1에 도시된 바와 같이 상기 히트펌프유닛(20)의 지열측 및 냉온수측 열교환기(20A)(20B)에는 각각 플로우스위치(F/S)가 구비되어 냉매나 냉온수의 순환을 조절하고,

또한 상기 압축기(21)와 사방밸브에는 고압 및 저압압력계(P1)(P2)와, 각각에 스위치가 구비되어 압력을 측정하여 조절하게 된다.

그리고 상기 컨트롤러(50)는 기동스위치와, 계절전환스위치가 구비된 실내온도조절기(IC)가 연결되고,

또한 중앙감시장치(CM)와 컨트롤러(50)를 연결하는 보조컨트롤러(50A)를 도입하여 보다 효율적인 시스템 운전을 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다.

이하에서는 상기 컨트롤러에 의하여 지열히트펌프 및 이를 이용한 냉난방 시스템의 가동상태를 설명하기로 한다.

지열히트펌프에 의한 난방 운전 시

우선 상기 실내온도 조절기에서 기동스위치를 온시키고, 계절전환스위치를 난방모드로 설정한다.

이때 온도/시간 스위치를 이용하여 온도 또는 시간을 설정하여 실내온도 또는 설정시간(0 ~ 90분)을 통하여 제어하게 되는데,

예를 들면, 설정시간 간격을 4분으로 설정하면 시스템은 4분 운전, 86분 정지하며,

설정시간 간격을 10분으로 설정하면 시스템은 10분 운전, 80분 정지하게 된다.

그리고 온도 설정 시, 설정 값이 실내온도보다 높을 경우(또는 설정시간이 운전시간일 때)에는 냉온수밸브가 오픈되고, 설정시간 후(밸브 열리는 시간) 냉온수순환펌프 및 지열순환펌프가 가동되고,

설정시간 후 압축기가 가동되며 냉온수탱크에 온도를 상승시키게 된다.

이때 컨트롤 패널에 구비된 급탕스위치를 온시키면 냉온수밸브가 닫히고, 급탕밸브가 오픈되어 급탕탱트의 온도를 상승시키게 된다.

여기서 급탕탱크에 설치된 온도센서에서 감지된 온도가 설정온도가 같아지면 급탕밸브가 닫혀 급탕에 열공급이 중단되고, 이때 냉온수밸브가 오픈되어 난방을 계속 실시하게 된다.

그리고 실내온도가 설정온도 값에 도달하거나 또는 설정시간이 완료되었을 경우에는 압축기가 정지하고, 냉난방순환펌프 및 지열순환펌프는 설정시간(약 3분)간 동작하여 잠열을 방출시킨 후 정지하게 된다.

아울러 급탕스위치를 온하면 난방은 정지되고, 급탕전용으로 운전을 하게 된다.

또한 컨트롤 패널에 구비된 외출 스위치를 온시키면 실내온도가 설정온도(설정범위 : 5 ~ 8℃) 이하가 되면 냉난방이 오픈되어 난방을 실시하고, 설정온도가 되면 정지되며,

이때 실내온도가 설정온도 이하가 되면 위 동작을 반복하여 배관 내 동파를 방지하게 된다.

지열히트펌프에 의한 냉방 운전 시

우선 실내온도 조절기에서 기동스위치를 온시키고, 계절전환스위치를 냉방모드로 설정한다.

이때 온도/시간 스위치를 이용하여 온도 또는 시간으로 변경하고, 온도 또는 시간 스위치를 조정하여 실내온도 또는 설정시간으로 제어하게 된다.

온도 설정 시, 설정 값이 실내온도보다 낮은 경우(또는 설정시간이 운전시간일 때) 냉난방밸브가 오픈되고, 설정시간 후(밸브 열리는 시간) 지열순환펌프 및 냉난방순환펌프가 가동되며,

설정시간 후 압축기가 가동되어 냉/온수탱크의 온도를 냉각(약 7 ~ 10℃)시키게 된다.

이때 급탕 스위치를 온시키면 히트펌프가 난방모드로 전환되고, 냉난방 밸브는 닫히고 급탕밸브는 개방되어 급탕탱크의 온도를 상승시키게 된다.

그리고 급탕탱크에 설치된 온도센서에 의하여 감지된 온도가 설정온도와 같아지면 급탕밸브가 닫히게 되고, 냉난방밸브가 개방되어 급탕에 열공급은 중단되며, 냉방모드로 전환하여 냉방을 계속하여 실시하게 된다.

또한 실내온도가 설정온도 값에 도달하거나 또는 설정시간이 완료되었을 경우에는 압축기가 정지되고, 지열순환펌프, 냉난방순환펌프는 설정시간, 약 3분 정도 동작하여 잠열을 방출한 후, 정지하게 되며,

실내온도가 설정 값 이상이 되면 위 동작을 반복하게 된다.

그리고 상기 컨트롤 패널에는 현장/원격, 자동/수동, 냉방/난방, 기동/정지, 급탕 및 리셋 등과 같은 다수의 스위치가 구비되고,

또한 상기 컨트롤 패널에는 운전 상태를 표시하고, 상기 알림부의 신호를 받아 경보를 알리기 위해

엘이디와 같은 다수의 경보램프가 구비되어, 자동, 수동, 냉방, 난방, 운전/정지, 저압경보, 고압경보, 서멀릴레이 경보, 역상/결상 경보, 플로우스위치 경보, 압축기 토출온도 경보를 점멸이나 발광을 통하여 알리게 된다.

이상에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명인 지열히트펌프를 설명함에 있어 특정 형상 및 방향을 위주로 설명하였으나, 본 발명은 당업자에 의하여 다양한 변형 및 변경이 가능하고, 이러한 변형 및 변경은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

CM : 중앙감시장치 IC : 실내온도조절기
F/S : 플로우스위치 JM : 결합수단
S : 나선부 NS : 비나선부
PM : 가압수단
10 : 지중열교환유닛 11 : 열교환 파이프
20 : 히트펌프유닛 20A : 지열측 열교환기
20B : 냉온수측 열교환기 21 : 압축기
23 : 사방밸브 25 : 팽창밸브
30 : 배관 30a : 설치공
30b : 안착돌기 31 : 내관
33 : 에어로플렉스관
40 : 온도측정수단 41 : 케이싱
41A, 41B : 제1, 제2 케이스 43 : 온도센서
45 : 밀폐부재 47 : 홈
50 : 컨트롤러 51 : 온도입력부
52 : 알림부 53 : 스위칭소자
54 : 컨트롤 패널 55 : 전원공급부
56 : 파워서플라이 57 : 서멀릴레이
60 : 보호커버 61 : 제1 결합부
61a : 동작홈 61b : 힌지결합부
62 : 제2 결합부 62a : 장착홈
63 : 지지부재 63a : 선회축
64 : 고정판 65 : 가동판
65a : 관통공 65b : 파지부
66 : 탄성부재

Claims (4)

1. 지중에 매설된 지중열교환유닛;
   상기 지중열교환유닛과 열교환을 통하여 냉난방을 가능하게 하는 히트펌프유닛;
   상기 지중열교환유닛과 히트펌프유닛을 연결하여 지열수, 냉매 및 냉온수를 순환시키고, 각 유체의 공급 및 환수 지점에 설치공이 형성된 배관;
   상기 배관의 설치공 주변에 연결된 케이싱과,
   상기 케이싱에 삽입 고정되고, 상기 설치공을 관통하여 상기 배관 내부에 내장되는 온도센서를 포함하는 온도측정수단; 및
   상기 온도측정수단에 의하여 측정된 각 지점의 온도가 입력되는 온도입력부와,
   상기 온도입력부에 의하여 측정된 유체의 공급 및 환수 온도차에 따라 경보를 발하는 알림부와,
   상기 알림부의 경보에 따라 히트펌프유닛을 개폐시키기 위한 스위칭소자를 포함하는 컨트롤러;를 포함하여 이루어지고,
   상기 배관은
   유체 유동을 위한 내관과,
   상기 내관을 감싸는 에어로플렉스관를 포함하는 이중관구조로 구성되며,
   상기 에어로플렉스관을 감싸 상기 내관과의 밀착성을 보장하기 위한 보호커버가 더 구비되고,
   상기 보호커버에는 상기 에어로플렉스관에 압력을 가하기 위한 가압수단이 더 구비되며,
   상기 가압수단은
   상기 보호부재의 양측단부를 절곡하여 마주하도록 형성된 제1 및 제2 결합부와,
   상기 제1 결합부에 힌지 결합된 지지부재와,
   상기 제2 결합부에 형성되고, 상기 지지부재가 삽입되는 장착홈과,
   상기 지지부재의 단부에 연결된 고정판과,
   상기 지지부재를 따라 이동 가능하도록 구비되고, 상기 제2 결합부의 외측 방향으로 배열된 가동판과,
   상기 고정판과 상기 가동판 사이에 배열된 탄성부재를 포함하여 이루어지고,
   
   상기 온도측정수단의 케이싱은
   상기 배관의 설치공 주변에 연결되고, 중공부를 갖는 제1 케이스와,
   상기 제1 케이스의 중공부에 삽입되고, 상기 온도센서가 삽입 고정되는 제2 케이스와,
   상기 각 케이스에는 상호간에 결합 및 분리를 가능하게 하는 결합수단을 포함하여 이루어지며,
   
   상기 결합수단은
   상기 제1 케이스의 내측면과 상기 제2 케이스의 외측면에 형성되고, 상호 대응하는 나선부와 비나선부를 포함하며,
   상기 각 케이스의 나선부가 서로 맞물리면 상기 제1 케이스에 상기 제2 케이스가 결합 고정되고,
   상기 각 케이스의 나선부에 비나선부가 위치하게 되면 상기 제1 케이스로부터 상기 제2 케이스의 분리가 가능하며,
   
   상기 컨트롤러에는
   3상 교류전원이 공급을 위한 전원공급부가 더 구비되고,
   상기 전원공급부와 연결되어 교류전류를 직류전류로 전환하여 상기 스위칭소자로 전류를 공급하기 위한 파워서플라이가 구비되며,
   상기 전원공급부와 파워서플라이를 연결하여 컨트롤러에 과부하가 인가되는 것을 방지하기 위한 서멀릴레이가 더 구비되고,
   상기 압축기와 연결된 고압 및 저압압력계와 각 스위치가 구비되며,
   
   상기 설치공 주변에는 환형의 안착돌기가 형성되고,
   상기 안착돌기의 상면부와 상기 제2 케이스의 하면부에는 오링 형태의 밀폐부재가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 지열히트펌프.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 가압수단에서
   상기 제1 결합부에는 지지부재의 동작을 위한 동작홈이 형성되고,
   상기 제2 결합부에는 상기 동작홈과 동일한 위치에 장착홈이 형성되며,
   상기 제1 결합부의 외측면에는 힌지결합부가 연결되고,
   상기 힌지결합부에는 상기 지지부재의 단부에 연결되는 선회축이 삽입되며,
   상기 가동판에는 파지부가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 지열히트펌프.
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