KR101315395B1 - 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 순환수 열교환 장치에 관한 것이다.
본 발명은 순환 유체가 유입되어 지중열과 열교환이 이루어지며, 열교환이 이루어진 열교환 유체가 저장되는 저장부가 형성된 열교환 본체; 상기 저장부를 밀폐시키는 밀폐턱과, 저장부에 저장된 열교환 유체가 흡입될 수 있도록 배관 삽입홈이 형성된 밀폐커버; 상기 밀폐커버의 일측에 삽입되어 순환 유체와 지중열이 열교환되도록 순환 유체를 저장부에 공급하기 위해 순환 펌프가 구성된 열교환 배관; 상기 밀폐커버의 배관 삽입홈을 관통하여 저장부에 저장된 열교환 유체가 흡입되도록 흡입펌프가 구성되며, 흡입된 열교환 유체를 사용처로 유출시키는 흡입배관; 을 포함하고, 상기 공급펌프와 흡입펌프가 순환수 열교환 장치의 외부에 설치되어 외부의 작동 제어에 따라 순환수 열교환 장치로부터 순환 유체의 공급 및 열교환 유체의 흡입이 이루어지는 것을 특징으로 하는 순환수 열교환 장치를 제공한다.

Description

지중열을 이용한 순환수 열교환 장치{Heat exchanger using the geothermal}
본 발명은 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치에 관한 것이다. 더욱 상세하게는 순환 유체와 지중의 토양 및 암반 사이에서 열교환이 이루어지는 순환수 열교환 장치에 관한 것으로, 순환 유체(순환수)의 유량을 일정하게 유지시키고, 지하수에 대한 오염이나 고갈의 위험이 없고, 유체의 유동저항을 줄여 순환펌프의 동력소모를 줄일 수 있으며, 순환펌프 및 흡입펌프가 지상에 설치됨에 따라 유지 보수가 간편할 뿐만 아니라. 지중의 토양 및 암반과 순환 유체 간의 전열면적 및 체류시간을 증가시켜 열전달의 효율을 극대화할 수 있으며, 와류 현상으로 인해 높은 열교환 효과를 얻을 수 있어, 냉방운전 또는 난방운전의 효율을 향상시킬 수 있는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 냉난방을 위하여 사용되는 에너지원으로는 석탄, 석유, 천연가스 등과 같은 화석연료를 이용하거나, 또는 이들 화석연료나 원자력을 이용하여 생산된전력 에너지를 주로 사용하고 있으나, 근래에는 이를 대신할 수 있는 대체 에너지 개발이 활발하게 진행되고 있다.
이러한 대체 에너지 중에서도 무한한 에너지원을 갖는 풍력, 태양열, 지열 등에 관한 연구와 이를 이용한 냉난방장치가 사용되고 있는데, 이들 에너지원은 공기오염과 기후변화에 거의 영향을 미치지 않으면서 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면 에너지 밀도가 대단히 낮은 단점이 있다.
특히, 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는 설치장소의 한계와 함께 넓은 면적이 확보되어야하며, 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요된다.
대체에너지의 일원인 지열에너지는 지하 깊은 곳의 고온 지열을 이용하여 발전 등에 활용되기도 하고, 10~20℃의 지열을 이용하여 냉난방 시스템에 적용되기도 하는데, 지열을 이용하여 건물 등의 냉난방기술에 적용하는 경우, 기존 냉난방장치에 비하여 최대 40% 이상의 에너지를 절감할 수 있으며, 40~70%의 에너지 발생비용을 절감할 수 있는 것으로 알려져 있다.
이러한 지열을 이용하여 건물 내의 냉난방을 목적으로 지하수와 같은 천연 열저장소를 이용하는 전기장치인 지열 히트펌프 시스템은, 순환수 열교환 장치를 구비하여 상기 열교환기에 의해 하절기에는 지중으로 열을 방출하고 동절기에는 지중으로부터 열을 흡수하는 것으로, 연중 10~20℃로 거의 일정한 온도를 유지한 지온에 의해 냉난방 성능이 저하되지 않아 안정적인 운전이 가능하다.
통상적으로 사용되는 지열을 이용한 냉난방장치는 지열을 회수하기 위한 지열교환기와, 회수한 지열을 필요한 장소로 이동시켜 냉난방을 행하도록 하는 히트펌프로 구성된다.
그중 지열교환기의 설치는 대부분의 경우 여유가 있는 대지를 확보한 후, 대략 수직방향으로 보어홀(Borehole)을 굴착하여 열교환 파이프를 매설하는 형태로 설치된다.
이와 같은 지열교환기의 설치는 지표 가까이 암반이 없거나 사면 붕괴가 거의 없는 보다 큰 건물에 아주 적합하다. 이러한 지열교환기의 설치는 지하 50~200m 정도 깊이의 보어홀을 소정의 간격으로 굴착하고, 각 보어홀에는 한두번 감아 끝이 U자형인 파이프를 매설한다.
그리고, 파이프 설치 후 각 보어홀은 불투수성 재료인 벤토나이트나 시멘트로 채운 후 그라우팅한다. 그라우팅 과정에서 지표수의 대수층 유입이나 인접 대수층의 부실로 인한 물의 침투를 막기 위해 특수한 재료로 보어홀을 채우게 된다.
그러나, 이러한 종래의 지열교환기는 보어홀에 열교환 파이프를 삽입하고 그라우팅작업을 하여 지열이 전도에 의하여 직접 순환배관에 전달되는 방식을 사용하고 있기 때문에, 축열기능을 부여할 수 없고 회수열량이 적기 때문에 열교환성능이 저하될 수밖에 없는 문제점이 있다.
이러한, 종래의 순환수 열교환 장치는 순환배관이 열매체의 내부에 포함되어, 상호 열교환되는 것으로서, 열매체는 순환배관과 충분히 열교환하기 위해 많은 양이 필요하며, 이를 원활히 공급하기 위해서는 다른 과도한 장비가 필요로 하는 문제점이 있다.
한편, 열교환기 내에 난방운전용 전열관 및 냉방운전용 전열관을 각각 설치하는 구성에서는, 열교환 성능을 확보할 수 있는 범위가 한정되므로 열교환 효율이 나쁘고, 난방성능 및 냉방성능을 확보하고자 하면, 각 전열관의 길이가 어느 정도 필요하게 되며, 열교환기 전체의 길이가 길어져 버린다. 게다가, 난방전용이나 냉방전용의 열교환기에 비해 전열관이 배로 필요하게 되므로, 그만큼, 원가 증대를 초래하는 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제0771937호 (2007.10.25.)
대한민국 등록특허 제1011130호 (2011.01.20.)
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 순환 유체(순환수)의 유량을 일정하게 유지시키고, 지하수에 대한 오염이나 고갈의 위험이 없고, 유체의 유동저항을 줄여 순환펌프의 동력소모를 줄일 수 있으며, 순환펌프 및 흡입펌프가 지상에 설치됨에 따라 유지 보수가 간편한 순환수 열교환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 시공이 간편할 뿐만 아니라, 시공 원가의 절감을 이룰 수 있는 순환수 열교환 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 지중의 토양 및 암반과 순환 유체 간의 전열면적을 증가시키고 체류시간을 증가시킴으로써, 열전달의 효율을 극대화할 수 있으며, 높은 열교환 효과를 얻을 수 있어, 냉방운전 또는 난방운전의 효율을 향상시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 열교환 유체 또는 순환유체에 와류현상이 발생하도록 열교환 배관 및 흡입배관을 구성함으로써, 열교환 효율을 극대화할 수 있어 냉방 또는 난방효율을 향상시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
이와 같은 과제를 달성하기 위한 본 발명은 열매체가 유입되어 지중열과 열교환이 이루어지며, 열교환이 이루어진 열매체가 저장되는 저장부가 형성된 열교환 본체; 상기 저장부를 밀폐시키는 밀폐턱과, 저장부에 저장된 열매체가 흡입될 수 있도록 배관 삽입홈이 형성된 밀폐커버; 열매체와 지중열의 열교환이 이루어지며, 이 열매체를 저장부에 공급하는 순환펌프가 구성된 열교환 배관; 상기 밀폐커버의 배관 삽입홈을 관통하여 저장부에 저장된 열매체가 흡입되도록 흡입펌프가 구성되며, 흡입된 열매체를 사용처로 유출시키는 흡입배관;을 포함하고, 상기 순환펌프와 흡입펌프가 순환수 열교환 장치의 외부에 설치되어 외부의 작동 제어에 따라 순환수 열교환 장치로부터 열매체의 공급 및 흡입이 이루어지는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 밀폐커버의 일측에는 순환 유체의 안정적인 공급이 이루어지도록 열교환 배관의 외주를 감싸며, 이 열교환 배관의 단부가 삽입되어 고정되는 플랜지부와, 이 플랜지부의 상단에 구비되어 이물질이 저장부로 침투하는 것을 방지하는 실링마개로 이루어진 결합부가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 순환수 열교환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 열교환 본체에는 저장부와 흡입 또는 공급 배관이 분리 구성되어 단열 기능을 향상시킬 수 있도록 내측벽이 형성되는 것을 특징으로 하는 순환수 열교환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 열교환 본체에는 열교환홈의 상측을 밀폐하고, 열교환 배관이 열교환 본체에 안정적으로 고정 설치될 수 있도록 지지하는 고정패널이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 순환수 열교환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 열교환 배관은 공급펌프와 연결되는 공급라인과, 이 공급라인과 일체로 연결되며 순환 유체가 열교환 본체에 골고루 분배가 이루어지도록 하는 분배라인과, 분배라인을 통해 분배된 순환 유체가 유입되어 지중열과 열교환이 이루어지도록 구성된 열교환라인 및 열교환이 이루어진 열교환 유체를 저장부에서 배출하는 열교환 배출라인으로 구성되는 것을 특징으로 하는 순환수 열교환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 열교환 본체에는 각각 열교환 배관 및 흡입배관을 통해 공급 및 흡입이 이루어지는 열매체가 서로 다른 유출속도에 의해 와류 현상이 발생하도록 하는 와류 발생부가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 흡입배관에는 흡입되는 열매체에 의해 열교환 본체에 저장된 열교환 유체의 와류 현상이 발생하도록 그 외주면을 따라 나선형으로 다수 형성되는 와류 유도홀이 구성되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 열교환 배관은 와류 발생부와 연통하여 이송되는 열매체의 와류현상이 발생하도록 하는 유출입관과, 열매체를 분기시켜 와류 발생부의 양측으로 공급될 수 있도록 하는 분기관으로 이루어진 유체 이동관이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 유출입관은 와류 발생부로 열매체를 유출속도의 증속을 위해 소정 각도만큼 하향 경사지게 형성되며, 흡입배관의 중심선상으로부터 소정 각도만큼 편향되게 형성되어 와류 발생부의 양측에 연통되게 설치되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치를 제공한다.
또한, 본 발명에 있어서, 상기 유출입관은 와류 발생부의 중심선상에서 일정 간격 이격되게 구성되며, 서로 마주보는 형태로 적어도 4개 이상 복수 구성되어 열매체의 와류 현상을 극대화시키는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치를 제공한다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 순환 유체(순환수)의 유량을 일정하게 유지시키고, 지하수에 대한 오염이나 고갈의 위험이 없고, 유체의 유동저항을 줄여 순환펌프의 동력소모를 줄일 수 있으며, 순환펌프 및 흡입펌프가 지상에 설치됨에 따라 유지 보수가 간편한 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 시공이 간편할 뿐만 아니라, 시공 원가의 절감을 이룰 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 지중의 토양 및 암반과 순환 유체 간의 전열면적을 증가시키고 체류시간을 증가시킴으로써, 열전달의 효율을 극대화할 수 있으며, 높은 열교환 효과를 얻을 수 있어, 냉방운전 또는 난방운전의 효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 따르면, 열교환 유체 또는 순환유체에 와류현상이 발생하도록 열교환 배관 및 흡입배관을 구성함으로써, 열교환 효율을 극대화할 수 있어 냉방 또는 난방효율을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순환수 열교환 장치를 나타낸 사시도,
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순환수 열교환 장치를 나타낸 단면도,
도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순환수 열교환 장치의 열교환 배관을 나타낸 도면,
도 5 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순환수 열교환 장치의 다른 실시예,
도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순환수 열교환 장치가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순환수 열교환 장치를 나타낸 사시도, 도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순환수 열교환 장치를 나타낸 단면도, 도 3 및 도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순환수 열교환 장치를 나타낸 다른 실시예, 도 5 내지 도 7은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순환수 열교환 장치의 다른 실시예, 도 8은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 순환수 열교환 장치가 설치된 상태를 나타낸 도면이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명의 순환수 열교환 장치는 순환 유체가 유입되어 지중의 토양과 열교환이 이루어지도록 구성된 열교환 본체(110), 열교환 본체(110)의 상부를 밀폐시키며, 열교환 배관(160)이 고정되는 밀폐커버(130), 외부에 구성된 순환펌프(102)로부터 공급되는 순환 유체가 사용 목적에 따라 열교환이 이루어지도록 열교환 본체(110)의 내부에 공급하는 열교환 배관(160), 열교환이 이루어진 열교환 유체가 사용처로 공급될 수 있도록 열교환 본체(110)에 저장된 열교환 유체를 흡입배관(170), 외부에 구성되며, 흡입배관(170)에 구성되어 열교환 유체를 흡입하는 흡입펌프(104)를 포함하여 구성된다.
열교환 본체(110)는 지중 150~200m 에 매설되어 지중의 토양과 순환 유체 간의 열교환이 이루어지고, 열교환이 이루어진 열교환 유체가 임시 저장되도록 구성되는 것으로, 내부에 열교환 유체가 임시적으로 저장될 수 있도록 저장부(112)가 형성된다.
이러한 열교환 본체(110)는 열교환 배관(160)이 설치되는 열교환홈(114)이 내주를 따라 형성되며, 이 열교환홈(114)에 열교환 배관(160)이 밀착되게 구성됨으로써, 지중의 토양과 원활한 열교환이 이루어지도록 한다.
이와 같은 본 발명은 열교환 배관(160)을 통해 유입되는 순환 유체가 하측으로 이동하면서 지중의 토양과 열교환이 이루어지는데, 냉각의 경우, 고온의 순환 유체를 토양의 온도인 10℃~20℃의 온도로 열교환이 이루어지며, 바람직하게는 17℃의 온도를 유지하도록 열교환이 이루어지게 된다.
밀폐커버(130)는 개방된 저장부(112)를 밀폐시키는 구성요소로서, 이 저장부(112)의 상단에 삽입되는 밀폐턱(134)이 하향 돌출 형성되며, 그 중앙에는 열교환이 이루어진 열교환 유체가 흡입펌프(104)에 의해 흡입되어 사용처로 공급될 수 있도록 흡입배관(170)이 관통하는 배관 관통홀(132)이 형성된다.
또한, 배관 관통홀(132)의 하측으로 연장 형성되며, 밀폐커버(130)를 관통하는 흡입배관(170)의 외주면을 감싸는 단열관(138)이 형성된다.
단열관(138)은 흡입배관(170)이 안정적으로 밀폐커버(130)에 고정되도록 함으로써, 열교환이 이루어진 열교환 유체를 흡입할 때 발생하는 소정의 압력으로 인해 흡입배관(170)이 파손되는 것을 방지하도록 한다.
또한, 밀폐커버(130)의 일측으로 열교환 배관(160)이 결합되는 결합부(180)가 일체로 형성된다.
결합부(180)는 밀폐커버(130)의 일측에 고정되는 열교환 배관(160)의 외주를 감싸며, 이 열교환 배관의 단부가 삽입되어 고정되는 플랜지부(182)가 형성되어 열교환 본체(110)의 저장부(112)로 순환 유체의 안정적인 공급이 이루어지도록 한다.
이러한 결합부(180)에는 열교환 배관(160)의 외주를 감싸며, 열교환 배관(160)이 밀폐커버(130)에 견고하게 결합되어 유입되는 순환 유체의 압력에 의해 밀폐커버(130)와 열교환 배관(160)의 결합력이 저하되는 것을 방지하도록 한다.
또한, 결합부(180)의 상부에는 열교환 배관(160)과 밀폐커버(130) 사이의 틈으로 토양, 미생물 등의 이물질이 침투하는 것을 방지하기 위하여 실링마개(184)가 형성된다.
이러한 실링마개(184)는 결합부(180)의 상부 요홈에 삽입되며, 용접에 의해 융착되거나, 외주에 나사산을 형성하여 결합부(180)의 요홈과 나사 체결되도록 구성된다. 이때, 실링마개(184)의 외주면에는 실링부재와 같은 오링 또는 가스켓이 구성됨이 바람직하다.
한편, 본 발명에서는 열교환 배관(160)이 밀폐커버(130)의 일측에 결합되어 열교환 본체(110)의 저장부(112)로 직접 순환 유체를 공급되도록 구성하였으나, 이에 한정하는 것은 아니다.
즉, 열교환 배관(160)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 열교환 본체(110)의 내주에 열교환홈(114)을 형성하고, 이 열교환홈(114)에 열교환 배관(160)이 삽입되도록 형성함으로써, 지중열을 열원으로 열교환이 이루어지도록 구성되며, 상측에는 지중의 토양과 순환 유체 간의 열교환이 이루어질 수 있도록 형성될 수 있을 것이다.
다시말해, 본 발명의 열교환 배관(160)은 순환 유체를 공급하는 공급펌프(102)와 연결되는 공급라인(162)이 형성되며, 이 공급라인(162)의 하단에는 공급라인(162)과 일체로 연결되며, 열교환 본체(110)의 내주를 따라 형성되어 공급되는 순환 유체가 열교환 본체(110)에 골고루 공급 및 분배가 이루어지도록 하는 분배라인(164)이 형성된다.
그리고, 분배라인(164)에는 열교환 본체(110)의 길이 방향을 따라 길게 형성되며, 분배라인(164)을 통해 분배된 순환 유체가 공급되어 지중열과 열교환이 이루어지고, 열교환이 이루어지는 열교환라인(166)과, 열교환이 이루어진 열교환 유체를 저장부(112)로 배출하는 열교환 배출라인(168)이 형성된다.
여기서, 열교환라인(166)은 열교환 본체(110)의 열교환홈(114)과 내측벽(116)의 수직한 길이 방향을 따라 길게 형성되어 순환 유체가 하향 이동하면서 지중열과 열교환이 이루어지도록 구성될 수 있을 것이다.
아울러, 공급라인(162), 분배라인(164), 열교환라인(166) 및 배출라인(168)으로 구성되는 열교환 배관(160)이 지중의 토양과 원활한 열교환이 이루어질 수 있도록 열교환홈(114)이 내주를 따라 형성되며, 이 열교환홈(114)에 열교환 배관(160)이 밀착되게 구성됨으로써, 지중의 토양과 원활한 열교환이 이루어지도록 한다.
또한, 열교환 본체(110)의 상부에는 열교환홈(114)의 상측을 밀폐하고, 열교환 배관(160)이 열교환 본체(110)에 안정적으로 고정 설치될 수 있도록 지지하는 고정패널(120)이 구비된다.
이러한 고정패널(120)은 후술할 밀폐커버(130)와 열교환 본체(110)가 볼트 등과 같은 체결수단을 통해 체결 고정이 이루어지도록 체결공이 형성되며, 상측에는 수밀방지, 기밀개선, 이물질 침투 방지 등과 같은 기능을 수행하는 고무 재질의 탄성체(150)가 구비된다.
또한, 열교환 본체(110)에는 저장부(112)와 열교환홈(114) 사이에 내측벽(116)이 구성된다. 이 내측벽(116)은 열교환이 이루어지는 순환 유체와 열교환이 이루어진 열교환 유체가 서로 열교환이 이루어지는 것을 방지하기 위해 구성되는 것이다.
즉, 내측벽(116)은 열교환 배관(160)을 통해 유입되는 순환 유체가 하측으로 이동하면서 지중의 토양과 열교환이 이루어지는데, 냉각의 경우, 고온의 순환 유체를 토양의 온도인 10℃~20℃의 온도로 열교환이 이루어지게 된다. 하지만, 저장부(112)와 열교환 배관(160) 사이를 분리 구성하지 않게 되면, 10℃~20℃의 온도로 열교환이 이루어진 열교환 유체와 고온의 순환 유체가 서로 열교환이 이루어질 수밖에 없으므로, 저장부(112)와 열교환 배관(160) 간의 분리를 위해 구성되는 것이다.
이와 같은 본 발명은 지중열을 열원으로 이용한 방법으로서, 열교환 본체(110)의 저장부(112)에 저장되도록 하여 이 저장부(112)에 저장된 순환 유체가 체류하면서 지중열과 열교환이 이루어지게 되는 것이다. 이는 열교환 시간을 충분히 확보할 수 있어 열교환 유체의 확보가 매우 용이함에 따라 순환펌프(102)를 통해 열교환기 본체에 구성된 열교환 배관(160)으로 물을 강제 이송시켜 지중열과 열교환이 이루어지도록 하여 하절기에는 실내를 냉각하고, 동절기에는 실내를 난방토록 구성되는 것이다.
한편, 본 발명은 도 5 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 열교환 효율을 극대화하고, 냉방 또는 난방효율을 향상시키기 위해 열교환 배관(160) 및 흡입배관(170)의 구성이 열교환 유체 또는 순환유체가 열교환 본체(110)의 저장부(112)에서 와류현상이 발생하도록 구성된다.
이와 같은 본 발명은 열교환 본체(110)의 상부에 구성되며, 열교환 배관(160) 및 흡입배관(170)으로부터 유출되는 열매체(열교환 유체 및 순환유체)가 서로 다른 유출 속도에 의해 열교환 본체(110)의 내주를 따라 와류 현상이 발생하도록 와류 생성홀(242)이 형성되는 와류 발생부(240)가 구성된다.
아울러, 본 발명에서는 열매체의 열교환 유체와 순환유체의 유출 속도를 다르게 제어하여 열교환 본체(110)의 와류 발생부(240)를 통해 열매체의 와류현상이 발생하도록 하기 위해 열교환 유체가 공급되는 열교환 배관(160)의 단부가 와류 발생부(240)의 양측에 구성되며, 흡입배관(170)의 외주면에는 나선형으로 다수 형성되는 와류 유도홀(250)을 통해 열교환 본체(110)의 내부에서 와류가 발생되도록 구성되는 것이다.
즉, 열교환 배관(160)은 열매체를 공급하는 공급라인(162)과 연결되며, 공급되는 열매체를 와류 발생부(240)측으로 이송시키는 이송배관(212)과, 이 이송배관(212)의 단부에 구성되며, 와류 발생부(240)에 형성된 와류 생성홀(242)과 연통되게 구성되어 이송되는 열매체의 와류현상이 발생하도록 하는 유출입관(214)과, 공급라인(162)과 연결 구성되며, 이 공급라인(162)을 통해 공급되는 열매체를 분기시켜 와류 발생부(240)의 양측으로 공급될 수 있도록 하는 분기관(220)으로 이루어진 유체 이동관(210)이 더 구성되는 것이다.
여기서, 유출입관(214)은 도 6 및 도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 와류 발생부(240)로 열매체의 유출속도 증속을 위해 열매체가 유출되는 유출부의 위치가 이송배관(212)과 연결되는 연결부의 위치보다 하측에 위치하도록 소정 각도만큼 경사지게 형성되며, 흡입배관(170)의 중심선상으로부터 소정 각도만큼 편향되게 와류 발생부(240)의 양측에 설치된다.
또한, 와류 발생부(240)의 양측에 설치되는 유출입관(214)은 서로 동일중심선상에 위치하도록 구성된다. 하지만, 이에 한정하는 것은 아니며, 본 발명의 유출입관(214)은 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 일정 간격 이격되게 구성되며, 서로 마주보는 형태로 적어도 4개 이상 복수 구성될 수도 있을 것이다.
아울러, 흡입배관(170)에 형성되는 와류 유도홀(250)은 흡입배관(170)의 외주면을 따라 나선형으로 다수 형성되는 것으로서, 이 흡입배관(170)을 통해 흡입되는 열매체가 나선형의 와류 유도홀(250)을 통해 유출이 이루어지도록 한다.
이는, 와류 유도홀(250)을 통해 나선형으로 유출되는 열매체로 인해 와류 현상을 더욱 극대화하여 열교환 본체(110)의 저장부(112)에 저장된 열매체의 와류 현상이 이루어지도록 구성되는 것이다.
이러한 본 발명은 도 8에 도시된 바와 같이, 순환수 열교환 장치를 통해 열교환 유체를 사용하기 위해 지상에 압축기(420), 전환밸브(430) 실내 열교환기(440), 팽창밸브(450)와, 지중에 매설되는 복수의 순환수 열교환 장치가 접속 구성되는 회로부(410) 및 지중에 설치된 열교환 본체(110)의 열교환 배관(160) 및 흡입배관(170)에 각각 설치되는 순환펌프(102) 및 흡입펌프(104)를 구비한다.
또한, 회로부(410)는 클로즈 루프(Closed Loop) 방식으로서, 열교환 유체가 봉입되며, 이 유체가 회로부(410) 내를 순환함으로써, 난방운전 또는 냉방운전시 열교환 배관(160)과 흡입배관(170)의 용도를 냉난방 운전여부에 따라 바꾸어 사용할 수 있도록 한다.
여기서, 복수의 순환수 열교환 장치는, 회로부(410)에 대해 병렬로 접속되며, 각각의 열교환기에 의해 지중의 토양과 열교환하도록 구성된다.
이와 같이 구성된 본 발명은 순환 유체의 유량을 일정하게 유지시키고, 유체의 유동저항을 줄여 순환펌프의 동력소모를 줄일 수 있으며, 순환펌프 및 흡입펌프가 지상에 설치됨에 따라 유지 보수가 간편하고, 별도의 스페이서 시공이 불필요하여 시공이 간편할 뿐만 아니라, 시공 원가의 절감을 이룰 수 있으며, 열교환 배관과 순환 유체 간의 전열면적을 증가시켜 열전달의 효율을 극대화함으로써, 높은 냉각효과를 얻을 수 있고, 순환 유체와 열교환 유체가 독립되게 구성되도록 함으로써, 냉방운전 또는 난방운전의 효율을 향상시킬 수 있는 발명이다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
102: 공급펌프 104: 흡입펌프
110: 열교환 본체 112: 저장부
114: 열교환홈 116: 내측벽
120: 고정패널 130: 밀폐커버
132: 배관 관통홀 134: 밀폐턱
160: 열교환 배관 170: 흡입배관

Claims (10)

  1. 열매체가 유입되어 지중열과 열교환이 이루어지며, 열교환이 이루어진 열매체가 저장되는 저장부가 형성된 열교환 본체; 상기 저장부를 밀폐시키는 밀폐턱과, 저장부에 저장된 열매체가 흡입될 수 있도록 배관 삽입홈이 형성된 밀폐커버; 열매체와 지중열의 열교환이 이루어지며, 이 열매체를 저장부에 공급하는 순환펌프가 구성된 열교환 배관; 상기 밀폐커버의 배관 삽입홈을 관통하여 저장부에 저장된 열매체가 흡입되도록 흡입펌프가 구성되며, 흡입된 열매체를 사용처로 유출시키는 흡입배관;을 포함하고, 상기 순환펌프와 흡입펌프가 순환수 열교환 장치의 외부에 설치되어 외부의 작동 제어에 따라 순환수 열교환 장치로부터 열매체의 공급 및 흡입이 이루어지는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치에 있어서,
    상기 열교환 본체의 상부에 형성되어 각각 열교환 배관 및 흡입배관을 통해 공급 및 흡입이 이루어지는 열매체가 서로 다른 유출속도에 의해 와류 현상이 발생하도록 와류 생성홀이 형성된 와류 발생부가 더 구성되며,
    상기 열교환 배관에는 공급되는 열매체를 와류 발생부측으로 이송시키는 이송배관과, 상기 와류 생성홀과 연통하여 이송되는 열매체의 유출속도를 증속시켜 와류현상이 발생하도록 소정 각도만큼 하향 경사지게 형성되며, 흡입배관의 중심선상으로부터 소정 각도만큼 편향되게 형성되는 유출입관 및 열매체를 분기시켜 와류 발생부의 양측으로 공급될 수 있도록 하는 분기관으로 이루어진 유체 이동관으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀폐커버의 일측에는 순환 유체의 안정적인 공급이 이루어지도록 열교환 배관의 외주를 감싸며, 이 열교환 배관의 단부가 삽입되어 고정되는 플랜지부와, 이 플랜지부의 상단에 구비되어 이물질이 저장부로 침투하는 것을 방지하는 실링마개로 이루어진 결합부가 더 구성되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환 본체에는 저장부와 열교환 배관이 분리 구성되어 단열 기능을 향상시킬 수 있도록 내측벽이 형성되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환 본체에는 열교환홈의 상측을 밀폐하고, 열교환 배관이 열교환 본체에 안정적으로 고정 설치될 수 있도록 지지하는 고정패널이 더 구비되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 열교환 배관은 공급펌프와 연결되는 공급라인과, 이 공급라인과 일체로 연결되며 순환 유체가 열교환 본체에 골고루 분배가 이루어지도록 하는 분배라인과, 분배라인을 통해 분배된 순환 유체가 유입되어 지중열과 열교환이 이루어지도록 구성된 열교환라인 및 열교환이 이루어진 열교환 유체를 저장부로 배출하는 열교환 배출라인으로 구성되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 흡입배관에는 흡입되는 열매체에 의해 열교환 본체에 저장된 열교환 유체의 와류 현상이 발생하도록 그 외주면을 따라 나선형으로 다수 형성되는 와류 유도홀이 구성되는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 유출입관은 와류 발생부의 중심선상에서 일정 간격 이격되게 구성되며, 서로 마주보는 형태로 적어도 4개 이상 복수 구성되어 열매체의 와류 현상을 극대화시키는 것을 특징으로 하는 지중열을 이용한 순환수 열교환 장치.
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