KR101220521B1 - 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치, 이를 이용한 도로-교량결빙 방지장치 및 지열 냉난방장치 - Google Patents

세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치, 이를 이용한 도로-교량결빙 방지장치 및 지열 냉난방장치 Download PDF

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Abstract

세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치, 이를 이용한 도로-교량결빙 방지장치 및 지열 냉난방장치가 개시된다. 지상에 인접하여 설치되어 있으며 지상의 열을 흡수하거나 지상으로 열을 방출하는 열교환부, 세관형으로 형성되어 작동유체가 주입되며 일측이 열교환부에 인접하게 배치되어 열전달이 가능하고 타측은 지중에 매설된 열전달 히트파이프를 포함하고, 지상이 지중보다 가열될 때에 열전달 히트파이프는 열교환부의 열을 지중으로 이송하여 저장시키고, 지상이 지중보다 냉각될 때에는 열전달 히트파이프는 지중의 열을 열교환부로 이송하는 것을 특징으로 하는 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치는, 지상의 자연력을 열에너지 형태로 지중에 축적함으로써 사용이 가능한 지열의 양을 증가시킬 수 있으며, 넓은 열전달면적을 가지며 높은 열전달 효율을 가진 세관형 히트파이프를 이용함으로써 에너지 손실을 최소화하여 지열의 에너지 효율을 높일 수 있으며, 펌프 등의 부가적인 작동장치 없이도 세관형 히트파이프만을 사용하여 열에너지를 저장하고 이용함으로써 지열교환장치의 설치 및 유지보수를 용이하게 할 수 있다.

Description

세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치, 이를 이용한 도로-교량결빙 방지장치 및 지열 냉난방장치{Apparatus for earth heat exchange using capillary-type heat pipe, apparatus for preventing road-freezing and bridge-freezing, and apparatus for heating and cooling using earth heat exchange}
본 발명은 세관형 히트파이프를 이용한 지열교환장치, 이를 이용한 도로-교량결빙 방지장치 및 지열 냉난방장치에 관한 것이다.
현재, 일반적으로 사용되는 에너지원으로서 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석 연료 및 핵연료를 이용하는 경우가 대부분이다. 그러나 화석 연료는 연소과정에서 발생하는 각종 공해물질로 인하여 환경을 오염시키고, 핵연료는 수질오염 및 방사능과 같은 유해물질을 발생시키는 단점과 함께 이들 에너지원은 매장량의 한계로 근래에는 이를 대체할 수 있는 신재생 에너지의 개발이 활발하게 진행되고 있다.
신재생 에너지는 풍력, 태양열, 지열, 공기 등 자연에서 무한하게 얻을 수 있으며, 공장에서 버려지는 폐수로부터도 얻을 수가 있다.
이러한 신재생 에너지 중에서도 지열은 공기나 풍력 그리고 태양열을 열원으로 이용하는 것에 비해 외부상황에 영향을 크게 받지 않아 연중 변화폭이 작은 지열을 이용함으로써 상대적으로 안정성과 효용성이 크다고 할 것이다.
그런데, 종래의 지열을 이용한 장치들은 단순히 기온변화에 따른 지상과 지중의 온도 차이 만을 이용하므로, 그 효율이 낮으며 얻을 수 있는 에너지 양에는 한계가 있었다.
이에 따라, 얻을 수 있는 에너지 양을 늘리기 위하여 지하 깊은 곳에 온수파이프 등을 매설하였으나, 부가적으로 고성능 펌프 등의 장치가 필요하게 되어 설비가 복잡해지고 유지가 어려운 문제가 있다. 또한, 지하 깊은 곳에 파이프 및 장치를 설치해야 하는 어려움도 있다.
더불어, 지하 깊은 곳의 지열을 지상으로 전달하는 과정에서 열손실이 발생하여 열전달 효율이 떨어지는 문제도 있다.
본 발명은 에너지원으로 이용할 수 있는 지열의 양 및 에너지 효율을 증가시킬 수 있는 세관형 히트파이프를 이용한 지열교환장치, 이를 이용한 도로-교량결빙 방지장치 및 지열 냉난방장치를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명은 설치 및 유지보수가 간단한 세관형 히트파이프를 이용한 지열교환장치, 이를 이용한 도로-교량결빙 방지장치 및 지열 냉난방장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 지상에 인접하여 설치되어 있으며, 상기 지상의 열을 흡수하거나 상기 지상으로 열을 방출하는 열교환부, 세관형으로 형성되어 작동유체가 주입되며, 일측이 상기 열교환부에 인접하게 배치되어 열전달이 가능하고 타측은 지중에 매설된 열전달 히트파이프를 포함하고, 상기 지상이 상기 지중보다 가열될 때에 상기 열전달 히트파이프는 상기 열교환부의 열을 상기 지중으로 이송하여 저장시키고, 상기 지상이 상기 지중보다 냉각될 때에는 상기 열전달 히트파이프는 상기 지중의 열을 상기 열교환부로 이송하는 것을 특징으로 하는 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치가 제공된다.
상기 열교환부는, 세관형으로 형성되어 작동유체가 주입되며, 상기 열전달 히트파이프와 결합되는 열교환 히트파이프를 포함할 수 있다.
상기 열교환 히트파이프 및 상기 열전달 히트파이프는 일체형의 세관형 히트파이프로 형성되며, 상기 일체형의 세관형 히트파이프는, 상기 지상과 상기 지중을 교대로 왕복하는 형태로 형성될 수 있다.
상기 열전달 파이프에 열을 전달하는 보조 열원을 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 상기의 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 포함하고, 상기 열교환부는 도로와 열전달 가능하게 결합되어서, 상기 도로의 열을 지중으로 흡수시키거나 상기 지중의 열을 상기 도로로 방열하여 것을 특징으로 하는 도로결빙 방지장치가 제공된다.
상기 열교환부는, 상기 도로에 매설된 세관형 히트파이프를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 또 다른 측면에 따르면, 상기의 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 포함하고, 상기 열교환부는 교량과 열전달 가능하게 결합되어서, 상기 교량의 열을 지중으로 흡수시키거나 상기 지중의 열을 상기 교량으로 방열하여 것을 특징으로 하는 교량결빙 방지장치가 제공된다.
상기 열교환부는, 상기 교량 상판에 매설된 세관형 히트파이프를 포함할 수 있다.
상기 교량에서 상기 교량을 지지하는 지상으로 연장되어 있으며, 상기 열교환부 및 상기 열전달 히트파이프에 인접하게 배치되어서 상기 열교환부와 상기 열전달 히트파이프 사이에 열을 전달하는 열전달부재를 더 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 측면에 따르면, 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 포함하고, 상기 열교환부는 지상구조물의 내부와 열전달 가능하게 결합되어서, 상기 지상구조물 내부의 열을 지중으로 흡수시키거나 상기 지중의 열을 상기 지상구조물의 내부로 방열하여 것을 특징으로 하는 지열 냉난방장치가 제공된다.
상기 지상구조물은 내부로 채광이 가능하며, 상기 열교환부는 채광되는 면에 매설된 세관형 히트파이프를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면, 지상의 자연력을 열에너지 형태로 지중에 축적함으로써 사용이 가능한 지열의 양을 증가시킬 수 있다.
또한, 넓은 열전달면적을 가지며 높은 열전달 효율을 가진 세관형 히트파이프를 이용함으로써, 에너지 손실을 최소화하여 지열의 에너지 효율을 높일 수 있다.
또한, 펌프 등의 부가적인 작동장치 없이도 세관형 히트파이프만을 사용하여 열에너지를 저장하고 이용함으로써, 지열교환장치의 설치 및 유지보수를 용이하게 할 수 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치 및 이를 이용한 도로결빙 방지장치를 설명하는 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 이용한 교량결빙 방지장치를 설명하는 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 이용한 지열 냉난방장치를 설명하는 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 이용한 지열 냉난방장치를 설명하는 도면.
이하에서 본 발명의 실시예를 첨부도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치 및 이를 이용한 도로결빙 방지장치를 설명하는 도면이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치는 열교환부(12, 14) 및 열전달 히트파이프(20)를 포함하여, 지상의 자연력을 열에너지 형태로 지중(地中, 1)에 축적하고 지중(1)에 축적된 열에너지를 다시 사용하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 본 실시예의 도로결빙 방지장치는 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 포함하여, 별도의 추가적 장비 없이도 동계시즌에 도로(5)의 결빙을 방지할 수 있는 것을 특징으로 한다.
열교환부는 지중(1)에 매설된 열전달 히트파이프(20)를 지상과 열전달 가능하게 연결하는 부분으로, 온도가 높은 곳의 열에너지를 온도가 낮은 곳을 전달하는 역할을 한다. 이를 위해, 본 실시예의 열교환부는 지상에 인접하여 설치되어서 지상이 가열되면 지상의 열에너지를 흡수하여 열전달 히트파이프(20)로 전달하며, 지상이 냉각되면 열전달 히트파이프(20)로부터 열에너지를 흡수하여 지상에 방출한다.
도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 본 실시예에서 열교환부는 도로(5)와 열전달이 가능하게 결합되어 있다. 구체적으로, 열교환부는 대량의 열을 신속하게 열전달할 수 있는 세관형 히트파이프로 이루어진 열교환 히트파이프(12)를 포함하며, 열교환 히트파이프(12)를 도로(5)에 매설하여 도로(5)와 열교환부가 열전달 가능하게 결합될 수 있다(세관형 히트파이프에 대한 구체적 설명은 후술한다). 이에 따라, 여름과 같이 도로(5)의 온도가 지중(1)보다 높아질 경우에 지상의 열에너지를 열전달 히트파이프(20)에 전달하며, 반대로 겨울과 같이 도로(5)의 온도가 지중(1)보다 낮아질 경우에는 열전달 히트파이프(20)로부터 열에너지를 전달받아 도로(5)에 방출할 수 있다.
열전달 히트파이프(20)는 열교환부로 전달된 열에너지를 지중(1)으로 이송하거나 지중(1)에 저장된 열에너지를 다시 열교환부로 전달하는 역할을 하는 부분이다. 이를 위해, 본 실시예의 열전달 히트파이프(20)의 일측은 열교환부와 열전달이 가능하도록 열교환부에 인접하게 배치되어 있으며, 타측은 열에너지를 저장할 지중(1)으로 연장되어 매설되어 있다.
또한, 본 실시예의 열전달 히트파이프(20)는 열손실을 최소화면서 대량의 열에너지를 신속하게 전달하도록 작동유체(23)가 주입되는 세관형의 히트파이프로 이루어진다. 대표적으로, 진동세관형 히트파이프가 사용될 수 있다.
진동세관형 히트파이프는 세관(22) 내부에 작동유체(23)와 기포(24)가 소정 비율로 주입된 후 세관(22) 내부가 외부로부터 밀폐되는 구조를 가진다. 이에 따라, 진동세관형 히트파이프는 기포(24) 및 작동유체(23)의 부피팽창 및 응축에 의하여 열을 잠열 형태로 대량으로 수송하는 열전달 사이클을 가진다.
열전달 메카니즘을 살펴보면, 열을 흡수한 흡열부에서는 흡수된 열량만큼 핵비등(Nucleate Boiling)이 일어나면서 흡열부에 위치된 기포(24)들이 부피 팽창을 하게 된다. 이때 세관(22)은 일정한 내부 체적을 유지하므로, 흡열부에 위치된 기포(24)들이 부피 팽창을 한 만큼 열을 발산하는 방열부에 위치된 기포(24)들은 수축하게 된다. 따라서 세관(22) 내의 압력 평형상태가 붕괴되면서, 세관(22) 내에서 작동유체(23) 및 기포(24)의 진동을 포함한 유동이 수반되고, 이에 따라 기포(24)의 체적 변화에 의한 온도의 승강에 의하여 잠열 수송이 이루어짐으로써 방열이 수행된다.
여기서, 진동세관형 히트파이프는 열전도도가 높은 구리, 알루미늄 등의 금속 소재로 이루어진 세관을 포함할 수 있다. 이에 따라, 열을 빠른 속도로 전도 받음과 아울러 그 내부에 주입된 기포(24)의 체적변화를 빠르게 유발할 수 있다.
또한, 세관(22)으로 형성된 히트파이프는 부피 대비 넓은 열전달면적을 가질 수 있으므로, 대량의 열을 빠르게 흡수 또는 방출할 수 있다. 그리고, 열전달의 방향성에 대한 제약이 없어서 어떠한 방향으로든 열전달이 우수하며 배치가 자유로운 장점도 있다.
한편, 진동세관형 히트파이프의 연통구조는 개루프(open loop)와 폐루프(close loop) 모두 가능하다. 또한, 진동세관형 히트파이프가 복수 일 때, 진동세관형 히트파이프의 전부 또는 일부는 이웃하는 진동세관형 히트파이프와 연통될 수 있다. 이에 따라, 복수의 진동세관형 히트파이프는 설계상 필요에 따라 전체적으로 개루프 또는 폐루프 형상을 가질 수도 있다.
도 1 및 도 2에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 열교환 히트파이프(12) 및 열전달 히트파이프(20)는 일체형의 세관형 히트파이프로 형성될 수 있다. 구체적으로, 일체형의 세관형 히트파이프는 지상과 지중(1)을 교대로 왕복하는 형태로 형성될 수 있다. 이 때, 세관형 히트파이프에서 지상에 인접하게 매설된 부분이 열교환 히트파이프(12)가 되며, 지중(1)에 깊게 매설된 부분이 열전달 히트파이프(20)가 된다.
이에 따라, 지상의 온도가 상승될 때는 세관형 히트파이프 중 도로(5)와 매설된 부분이 흡열부가 되고 지중(1)에 매설된 부분이 방열부가 되어서, 도로(5)의 열을 지중(1)으로 방열하여 지중(1)으로 도로(5)의 열에너지를 이송하고 저장할 수 있다.
다시 설명하면, 여름에 도로(5)의 온도는 기온보다도 훨씬 높아지게 되어서 도로(5)에는 많은 열에너지가 축적된다. 이 때, 세관형 히트파이프로 이루어진 열교환 히트파이프(12)는 넓은 열전달면적을 이용하여 도로(5)가 가지고 있는 대량의 열에너지를 흡수하고, 열교환 히트파이프(12)와 연결된 열전달 히트파이프(20)가 흡수된 열에너지를 신속하게 지중(1)으로 전달할 수 있다. 이에 따라, 여름 동안에 지중(1)에는 열에너지가 지속적으로 축적되게 된다. 즉, 땅을 열에너지 저장하는 축열기로 이용함으로써, 사용이 가능한 지열의 양을 증가시킬 수 있는 것이다.
이 때, 본 실시예에서는 지중(1)에 저장하는 열에너지를 증가시키기 위하여, 열전달 파이프에 열을 전달하는 보조 열원을 더 포함할 수 있다. 그리고, 자연력을 열에너지로 변화시켜 보조열원(30)으로 사용할 수도 있다. 즉, 태양전지를 이용하여 태양광을 열에너지로 바꾸거나, 풍력 등의 운동에너지를 열에너지로 바꾸는 공지의 다양한 방법으로 자연력을 열에너지로 변환시켜 보조 열원으로 이용할 수 있다.
도 2에 나타난 바와 같이, 본 실시예에서는 태양전지를 이용하여 태양광을 열에너지로 변환한 후에, 열에너지를 이송하는 히트파이프(32) 등을 이용하여 열에너지를 열전달 히트파이프(20)에 인접한 곳으로 전달하고 저장한다.
한편, 지상의 온도가 하강될 때에는 세관형 히트파이프 중 도로(5)와 매설된 부분이 방열부가 되고 지중(1)에 매설된 부분이 흡열부가 되어서, 지중(1)에 저장된 열을 도로(5)로 방열하여 지중(1)의 열에너지를 이용할 수 있다.
다시 설명하면, 겨울에 도로(5)가 냉각될 경우에 열교환 히트파이프(12)는 열전달 히트파이프(20)로부터 공급받은 열에너지를 도로(5)에 방출하여 도로(5)의 온도를 높여서 결빙을 방지할 수 있다. 이 때, 열전달 히트파이프(20)는 여름 동안에 저장되어 지중(1)에 축적된 열에너지를 지속적으로 끌어올리는 역할을 한다. 여기서, 세관형 히트파이프는 상술한 바와 같이 신속한 열전달로 인하여 높은 열전달 효율을 가지므로, 열전달 과정에서 주변으로 손실되는 열을 최소화하여 지상으로 전달되는 지열의 에너지 효율을 높일 수 있다.
정리하면, 본 실시예의 지열교환장치는 양방향으로 열전달 성능이 우수한 세관형 히트파이프를 이용하여 지중(1)에 열에너지를 보관하며 필요할 때 이용할 수 있다.
특히, 열에너지의 저장 및 방출이 자연법칙인 열평형 성질을 이용한 것이므로, 펌프 등의 부가적인 작동장치를 필요로 하지 않는다. 이에 따라, 지열교환장치의 설치 및 유지보수를 용이하게 된다.
또한, 땅의 열저항을 이용하여 땅을 열에너지를 저장하는 축열기로 사용함으로써, 단순히 기온변화에 따른 지상과 지중(1)의 온도 차이 만을 이용하는 종래의 지열교환장치 비하여 사용 가능한 지열의 양을 혁신적으로 증가시킬 수 있다.
한편, 본 실시예의 지열교환장치는 교량결빙 방지장치로도 사용될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 이용한 교량결빙 방지장치를 설명하는 도면이다.
도 3에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 교량결빙 방지장치는 열교환부가 교량과 열전달 가능하게 결합되어서, 교량의 열을 지중(1)으로 흡수시키거나 지중(1)의 열을 교량으로 방열할 수 있다.
구체적으로, 열교환부는 대량의 열을 신속하게 열전달할 수 있는 세관형 히트파이프로 이루어진 열교환 히트파이프(12)를 포함하며, 열교환 히트파이프(12)를 교량의 상판(6)에 매설하여 교량과 열교환부가 열전달 가능하게 결합될 수 있다. 그리고, 교량을 지지하는 지상의 아래에는 세관형 히트파이프로 이루어진 열전달 히트파이프(20)가 지중(1)으로 매설되어 있다.
이에 따라, 여름과 같이 교량의 온도가 지중(1)보다 높아질 경우에 교량의 열에너지를 열교환 히트파이프(12)로 흡수 한 후에 열전달 히트파이프(20)에 전달하여 지중(1)에 저장하고, 반대로 겨울과 같이 교량의 온도가 지중(1)보다 낮아질 경우에는 지중(1)으로부터 열에너지를 전달받아 교량에 방출할 수 있다. 따라서, 겨울에 열교환 히트파이프(12)는 지중(1)에 여름 동안 저장된 열에너지를 공급받아 교량으로 방출함으로써 교량의 결빙을 방지할 수 있다.
이 때, 도 3 의 (a)에 나타난 바와 같이, 지중(1)에 매설된 열전달 히트파이프(20)와 교량에 매설된 열교환 히트파이프(12) 간의 열전달을 효율을 향상시키기 위하여, 교량에서부터 교량을 지지하는 지상으로 연장되며 열교환부 및 열전달 히트파이프(20)에 인접하게 배치된 열전달부재(15)를 더 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 열전달부재(15)로 위크형 히트파이프를 이용하여, 열교환 히트파이프(12) 와 열전달 히트파이프(20) 사이에서 대량의 열을 빠르게 전달할 수 있다.
위크형의 히트파이프는, 작동유체가 주입되는 밀폐된 파이프와, 파이프 내벽에 작동유체가 이동하는 위크(wick) 및 파이프 내부에서 기화된 작동유체가 이동하는 증기이동공간으로 이루어진다. 구체적인 기능을 살펴보면, 열이 전달된 부분에서 기화된 작동유체가 증기이동공간을 통하여, 외부로 열을 전달하는 전열부로 이동한다. 그리고, 전열부로 이동한 기화된 작동유체는 응축되어 기화열을 전열부로 전달한다. 응축된 작동유체는 위크를 통하여 원위치로 환류된다. 이에 따라, 전열부로 열을 전달하는 열전달 사이클이 이루어진다.
상술한 열전달 구조를 가지는 위크형 히트파이프는, 세관형 히트파이프에 비하여 상대적으로 큰 직경의 관을 가지며 내부에 많은 작동유체가 주입된다. 이에 따라, 한번에 많은 작동유체가 기화 및 응축되는 과정을 통하여, 대량의 열이 신속하게 전달될 수 있는 특징을 가진다. 따라서, 교량 또는 지중(1)의 열이 적체되지 않도록, 열에너지를 신속하게 전달하여 열손실을 최소화할 수 있다.
또한, 도 3의 (b)에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 열전달부재(16)는 세관형 히트파이프로 이루어지며, 열전달 히트파이프(20)와 일체로 형성될 수도 있다.
구체적으로, 세관형의 히트파이프가 교량을 가로질러 지상으로 연결되고, 세관형 히트파이프의 단부는 지중으로 깊게 매설되게 설치될 수 있다. 이 때, 세관형의 히트파이프 중 교량을 가로지르며 열교환 히트파이프(12)에 인접한 부분이 열전달부재(16)가 되며, 지중에 매설된 세관형 히트파이프의 단부가 열전달 히트파이프(20)가 된다. 이에 따라, 열전달부재(16) 및 열전달 히트파이프(20)를 세관형 히트파이프로 일체로 구성함으로써 설치가 용이해질 수 있다.
한편, 본 실시예의 지열교환장치는 지열 냉난방장치로도 사용될 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 이용한 지열 냉난방장치를 설명하는 도면이다.
도 4에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 지열 냉난방장치는 열교환부가 지상구조물의 내부와 열전달 가능하게 결합되어서, 지상구조물의 내부의 열을 지중(1)으로 흡수시키거나 지중(1)의 열을 지상구조물의 내부로 방열할 수 있다.
구체적으로, 본 실시예에서는 지열교환장치가 온실(40)의 온도를 조절하는 지열 냉난방장치로 이용된다. 열교환 히트파이프(12)로 구성된 열교환부는 온실(40)의 바닥(7)에 매설되어 온실(40)의 내부와 열전달이 가능하며, 열교환 히트파이프(12)와 연결된 열전달 히트파이프(20)는 지중(1)에 매설되어 있다.
이에 따라, 여름에는 온도가 높아진 온실(40) 내부에서 열에너지를 열교환 히트파이프(12)가 흡수한 후에 열전달 히트파이프(20)를 통하여 지중(1)에 저장할 수 있다. 즉, 여름에는 온실(40) 내부에서 열에너지를 빼앗아 온실(40) 내부의 온도를 낮출 수 있다. 이 때, 지상구조물 내부로 채광이 가능할 경우에, 지중(1)에 저장되는 열에너지를 더욱 증가시킬 수 있도록 열교환 히트파이프(12)는 채광되는 면에 매설되게 배치될 수 있다.
또한, 겨울에는 열교환 히트파이프(12)는 지중(1)에 여름 동안 저장된 열에너지를 열전달 히트파이프(20)로부터 공급받아 온실(40)내부로 방출함으로써 온실(40) 난방을 수행할 수 있다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 이용한 지열 냉난방장치를 설명하는 도면이다.
본 실시예에서는 지열교환장치가 주택(50)의 온도를 조절하는 지열 냉난방장치로 이용된다.
도 5에 나타난 바와 같이, 본 실시예의 열교환부는 주택(50)의 냉방 및 난방을 수행하는 지열보일러(14)를 포함한다. 지열보일러(14)는 주택(50) 내부로 열을 방출하거나 주택(50) 내부의 열을 흡수하는 히트펌프 및 열을 축적하는 축열조 등을 포함한다.
그리고, 지열보일러(14)는 지중(1)에 매설된 열전달 히트파이프(20)와 열전달이 가능하게 구성된다. 구체적으로, 지열보일러(14)와 연결된 수관(水管, 17)이 열전달 히트파이프(20)와 인접하여 배치되어 지열보일러(14)와 열전달 히트파이프(20) 사이에서 열에너지를 전달할 수 있다. 또는, 상술한 위크형 히트파이프가 지열보일러(14) 및 열전달 히트파이프(20) 사이에는 인접하여 배치될 수 있다.
이에 따라, 여름에는 지열보일러(14)가 주택(50) 내부의 열에너지를 흡수하여 지중(1)에 저장함으로써 주택(50) 내부의 온도를 낮추어 냉방을 수행하며, 겨울에는 지중(1)에 저장된 열에너지를 주택(50) 내부로 방출하여 난방을 수행할 수 있다.
상기에서는 본 발명의 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
전술한 실시예 외의 많은 실시예들이 본 발명의 특허청구범위 내에 존재한다.
1: 지중
5: 도로
6: 교량 상판
12: 열교환 히트파이프
14: 지열보일러
15, 16: 열전달부재
20: 열전달 히트파이프
22: 세관
23: 작동유체
30: 보조열원
40: 온실
50: 주택

Claims (11)

  1. 지상에 인접하여 설치되어 있으며, 상기 지상의 열을 흡수하거나 상기 지상으로 열을 방출하는 열교환부; 및
    세관 내부에 작동유체와 기포가 주입된 후 상기 세관 내부가 외부로부터 밀폐되는 진동세관형으로 형성되며, 일측이 상기 열교환부에 인접하게 배치되어 열전달이 가능하고 타측은 지중에 매설된 열전달 히트파이프를 포함하고,
    상기 지상이 상기 지중보다 가열될 때에 상기 열전달 히트파이프는 상기 열교환부의 열을 상기 지중으로 이송하여 저장시키고, 상기 지상이 상기 지중보다 냉각될 때에는 상기 열전달 히트파이프는 상기 지중의 열을 상기 열교환부로 이송하는 것을 특징으로 하는 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 열교환부는,
    세관형으로 형성되어 작동유체가 주입되며, 상기 열전달 히트파이프와 결합되는 열교환 히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 열교환 히트파이프 및 상기 열전달 히트파이프는 일체형의 세관형 히트파이프로 형성되며,
    상기 일체형의 세관형 히트파이프는, 상기 지상과 상기 지중을 교대로 왕복하는 형태로 형성되는 것을 특징으로 하는 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 열전달 파이프에 열을 전달하는 보조 열원을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 포함하고,
    상기 열교환부는 도로와 열전달 가능하게 결합되어서, 상기 도로의 열을 지중으로 흡수시키거나 상기 지중의 열을 상기 도로로 방열하여 것을 특징으로 하는 도로결빙 방지장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 열교환부는,
    상기 도로에 매설된 세관형 히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 도로결빙 방지장치.
  7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 포함하고,
    상기 열교환부는 교량과 열전달 가능하게 결합되어서, 상기 교량의 열을 지중으로 흡수시키거나 상기 지중의 열을 상기 교량으로 방열하여 것을 특징으로 하는 교량결빙 방지장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 열교환부는,
    상기 교량 상판에 매설된 세관형 히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 교량결빙 방지장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 교량에서 상기 교량을 지지하는 지상으로 연장되어 있으며, 상기 열교환부 및 상기 열전달 히트파이프에 인접하게 배치되어서 상기 열교환부와 상기 열전달 히트파이프 사이에 열을 전달하는 열전달부재를 더 포함하는 교량결빙 방지장치.
  10. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따른 세관형 히트파이프를 구비한 지열교환장치를 포함하고,
    상기 열교환부는 지상구조물의 내부와 열전달 가능하게 결합되어서, 상기 지상구조물 내부의 열을 지중으로 흡수시키거나 상기 지중의 열을 상기 지상구조물의 내부로 방열하여 것을 특징으로 하는 지열 냉난방장치.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 지상구조물은 내부로 채광이 가능하며,
    상기 열교환부는 채광되는 면에 매설된 세관형 히트파이프를 포함하는 것을 특징으로 하는 지열 냉난방장치.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105485963A (zh) * 2016-01-11 2016-04-13 万建红 污水热能回收系统
KR102622913B1 (ko) 2022-12-23 2024-01-10 한국건설기술연구원 도로 포장체의 계간 지중 축열 및 방열 장치 및 이를 이용한 도로 융설 시스템

Families Citing this family (15)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9188086B2 (en) 2008-01-07 2015-11-17 Mcalister Technologies, Llc Coupled thermochemical reactors and engines, and associated systems and methods
US8441361B2 (en) 2010-02-13 2013-05-14 Mcallister Technologies, Llc Methods and apparatuses for detection of properties of fluid conveyance systems
EP2534095A2 (en) 2010-02-13 2012-12-19 McAlister Technologies, LLC Reactor vessels with transmissive surfaces for producing hydrogen-based fuels and structural elements, and associated systems and methods
US8911703B2 (en) 2011-08-12 2014-12-16 Mcalister Technologies, Llc Reducing and/or harvesting drag energy from transport vehicles, including for chemical reactors, and associated systems and methods
EP2742207A4 (en) 2011-08-12 2016-06-29 Mcalister Technologies Llc SYSTEMS AND METHODS FOR EXTRACTING AND PROCESSING GASES FROM SUBMERGED SOURCES
WO2013025650A1 (en) 2011-08-12 2013-02-21 Mcalister Technologies, Llc Mobile transport platforms for producing hydrogen and structural materials and associated systems and methods
US9522379B2 (en) 2011-08-12 2016-12-20 Mcalister Technologies, Llc Reducing and/or harvesting drag energy from transport vehicles, including for chemical reactors, and associated systems and methods
US8734546B2 (en) 2011-08-12 2014-05-27 Mcalister Technologies, Llc Geothermal energization of a non-combustion chemical reactor and associated systems and methods
WO2013025645A2 (en) 2011-08-12 2013-02-21 Mcalister Technologies, Llc Systems and methods for collecting and processing permafrost gases, and for cooling permafrost
WO2013025655A2 (en) 2011-08-12 2013-02-21 Mcalister Technologies, Llc Systems and methods for providing supplemental aqueous thermal energy
WO2014124463A1 (en) * 2013-02-11 2014-08-14 Mcalister Technologies, Llc Geothermal energization of a non-combustion chemical reactor and associated systems and methods
WO2014160301A1 (en) 2013-03-14 2014-10-02 Mcalister Technologies, Llc Method and apparatus for generating hydrogen from metal
CN103604253A (zh) * 2013-11-28 2014-02-26 青岛理工大学 一种用于海水养殖的毛细管海水源热泵系统
CN104596122A (zh) * 2015-01-27 2015-05-06 江苏中圣压力容器装备制造有限公司 防治寒区含水路基冻胀灾害的方法及集束式低温热管
CN108286840A (zh) * 2018-03-08 2018-07-17 北京交通大学 用于防治季节冻土区路基冻胀的地源热泵装置和实施方法

Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07279114A (ja) * 1994-04-11 1995-10-24 Kensetsusho Hokurikuchihou Kensetsukyoku 太陽熱蓄熱式融雪装置

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP4929028B2 (ja) * 2006-04-28 2012-05-09 ミサワ環境技術株式会社 太陽地熱蓄熱供給設備
KR100991075B1 (ko) * 2008-04-25 2010-10-29 김효성 지중열에 의한 이중관 내에서의 열전달 매체의 대류를 이용한 노면 온도조절장치
JP2010255963A (ja) * 2009-04-06 2010-11-11 Nippon Shizen Energy Kaihatsu:Kk 自然エネルギーを利用したシステム

Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH07279114A (ja) * 1994-04-11 1995-10-24 Kensetsusho Hokurikuchihou Kensetsukyoku 太陽熱蓄熱式融雪装置

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN105485963A (zh) * 2016-01-11 2016-04-13 万建红 污水热能回收系统
KR102622913B1 (ko) 2022-12-23 2024-01-10 한국건설기술연구원 도로 포장체의 계간 지중 축열 및 방열 장치 및 이를 이용한 도로 융설 시스템

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