KR101431193B1 - 지열을 이용한 열교환 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 지열을 이용한 열교환 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지중에 매설되도록 설치되어 열전달 유체를 공급 및 회수할 수 있는 연결관을 연결하고, 지하에서 머무는 시간이 오래 지속되도록 하는 다수개의 열교환파이프를 구성함으로써 지열을 이용한 열교환이 극대화되도록 하는 것과 동시에, 지열에 의한 열교환 손실을 최소화할 수 있는 지열을 이용한 열교환 장치에 관한 것이다.
본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환 장치는, 지중에 매설된 외부케이싱 내부로 열전달 유체를 공급하여 지열에 의해 열교환이 이루어진 열전달 유체를 회수하기 위한 지열을 이용한 열교환 장치에 있어서, 지하로 열전달 유체를 공급하기 위한 유입구 및 상기 유입구로 공급된 열전달 유체를 지상으로 회수하기 위한 토출구가 구비되어 상기 외부케이싱 내부로 설치되는 열교환파이프와, 상기 열교환파이프에 열전달 유체를 공급하도록 상기 유입구에 연결되는 유체공급관과, 상기 열교환파이프를 통과하면서 지열에 의해 열교환이 이루어진 열전달 유체를 회수하도록 상기 토출구에 연결되는 유체회수관을 포함하되, 상기 열교환파이프는 상기 외부케이싱 내부에서 일정 깊이만큼 상하 왕복하도록 나선형으로 감기게 형성된 것을 특징으로 한다.

Description

지열을 이용한 열교환 장치{HEAT EXCHANGE DEVICE USING GEOTHERMAL}
본 발명은 지열을 이용한 열교환 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지중에 매설되도록 설치되어 열전달 유체를 공급 및 회수할 수 있는 연결관을 연결하고, 지하에서 머무는 시간이 오래 지속되도록 하는 다수개의 열교환파이프를 구성함으로써 지열을 이용한 열교환이 극대화되도록 하는 것과 동시에, 지열에 의한 열교환 손실을 최소화할 수 있는 지열을 이용한 열교환 장치에 관한 것이다.
지열[地熱; geothermy]은 지구 내부에서 표면을 거쳐 외부로 유출되는 열량(熱量)을 말하는 것으로, 특히 지열은 지구의 전 표면에서 외부로 방출된다. 지열의 양은 지역적으로 크게 다르지만 평균 10-6 cal/㎡·sec이며, 화산지대에서는 높은 값을 보인다. 지열의 유출은 열전도에 의하거나, 가스·온수 및 화산분출물 등에 의하여 이루어진다.
뉴질랜드·이탈리아·일본 등 지각열류량(地殼熱流量)이 많은 곳에서는 지열에너지를 발전(發電)에 이용하기도 하는데, 상기 지열을 적절하게 이용하는 것은 환경적인 측면에서도 꽤 유리하다. 이산화탄소 배출도 별로 없고 오염물질도 거의 나오지 않는다. 그리고 지열은 직접적인 난방, 전력생산, 열펌프를 통한 난방과 냉방, 제조용 열 등 여러 가지 형태로 이용될 수 있다.
한편, 상기와 같은 지열에 의환 열교환 시스템은 지하에 관정을 매립하고, 그 내부에 열교환 파이프가 삽입되고, 상기 열교환 파이프의 상단 즉, 지상으로 노출된 열교환 파이프에는 펌프가 연결되어 있다. 그리고, 상기 열교환 파이프의 단부에는 열교환기(보일러 파이프 또는 냉방용 증발기)가 설치되어 있다. 따라서, 상기 관정의 내부에 매립된 열교환 파이프는 지중의 온도로 열교환되어 일정한 온도를 유지하게 되는 것으로서, 지상의 온도가 높은 여름철에는 저온을 유지하고 지상의 온도가 낮은 겨울철에는 고온을 유지하는 것이다.
하지만, 상술한 바와 같은 종래의 관정형 지열에 의한 열교환 시스템은 관정 내부를 단순하게 통과하는 열교환 파이프의 면적이 한정되어 있으므로, 열교환 매질의 온도를 일정하게 유지하지 못하여 열교환 효율을 향상시키는데 한계가 있었던 것이다. 따라서, 대한민국 등록특허 제10-2011-0103731호 '지열에 의한 열교환 시스템'에서는 관정의 내부에 열교환 매질이 저장되는 열교환 탱크를 설치하여 상기 관정 내부의 지열과 열교환 매질의 열교환 효율시간을 연장하여 냉방 또는 난방 효율을 향상시킬 수 있는 지열에 의한 열교환 시스템을 제공하도록 하고 있다.
도1을 참조하면, 종래의 기술 지열에 의한 열교환 시스템은 관정(110)의 지중에서 지열과 열교환 되도록 매립 설치되는 열교환 파이프(120)와, 상기 열교환 파이프(120)에 설치된 펌프(130)와, 상기 열교환 파이프(120)의 단부에 설치된 열교환기(140)로 이루어진 지열에 의한 열교환 시스템에 있어서, 상기 관정(110)의 지중에 매립 설치되고, 내부에는 열교환 파이프(120)를 순환하는 열교환 매질(121)이 저장되며, 상기 열교환 파이프(120)가 내부로 연결 설치된 열교환 탱크(150)가 더 포함되어 이루어지는 구성으로 되어 있다.
그러나, 상기와 같은 종래의 기술은 지중의 지열과 열교환 매질의 열교환 시간을 연장할 수 있다는 장점은 있다 하겠으나, 열교환 탱크(150)내에 저장된 열교환 매질과 열교환 파이프(120)를 통해 유입되는 열교환 매질이 서로 섞인 상태에서 열교환이 이루어진 후 회수하도록 하고 있어 상호간의 온도차에 의한 열손실이 발생하게 되어 신속하게 열전달이 이루어지지 못하게 되는 것이고, 상기 열교환 탱크(150)를 기밀하게 유지하기 위한 시공이 간편하지 못할 뿐만 아니라, 열교환 탱크(150) 내에 충입되어 있는 열교환 매질(121)이 장기 운전중에는 손실 없이 운전이 되어야 하나, 열교환 파이프(120)를 순환하는 열교환 매질과 혼합되어 운영되는 구조이므로 지하로 침투하는 각종 오염원에 의해 이물질이 유입되는 경우 이와 같은 이물질이 장시간에 걸쳐 침하됨으로써 열교환 매질의 열교환 효율이 저하될 수 있는 것이며, 상기의 이물질을 제거하는 방법이 전무한 실정이여서 상기 열교환 탱크(150) 등의 유지 관리가 용이하지 못한 단점을 갖는 것이었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고자 안출된 것으로, 다수개로 이루어진 열교환 파이프가 상호간에 코일 형태로 감기게 형성되어 열교환 유체가 머무르는 동안 지열을 충분히 흡수하도록 하여 열교환을 극대화시키도록 할 뿐만 아니라, 외부케이싱 내부로 투입되어 열교환이 이루어진 후 지상으로 펌핑되는 열전달 유체가 최대한 신속하게 회수될 수 있도록 함으로써 열교환 유체가 갖는 지열의 손실을 최소화시킬 수 있도록 하는 지열을 이용한 열교환 장치를 제공하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환 장치는, 지중에 매설된 외부케이싱 내부로 열전달 유체를 공급하여 지열에 의해 열교환이 이루어진 열전달 유체를 회수하기 위한 지열을 이용한 열교환 장치에 있어서, 지하로 열전달 유체를 공급하기 위한 유입구 및 상기 유입구로 공급된 열전달 유체를 지상으로 회수하기 위한 토출구가 구비되어 상기 외부케이싱 내부로 설치되는 열교환파이프와, 상기 열교환파이프에 열전달 유체를 공급하도록 상기 유입구에 연결되는 유체공급관과, 상기 열교환파이프를 통과하면서 지열에 의해 열교환이 이루어진 열전달 유체를 회수하도록 상기 토출구에 연결되는 유체회수관을 포함하되, 상기 열교환파이프는 상기 외부케이싱 내부에서 일정 깊이만큼 상하 왕복하도록 나선형으로 감기게 형성된 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환 장치는, 상기 열교환파이프는 적어도 하나 이상 다수개로 구성되어 상호간에 서로 순차적으로 감기도록 설치되고, 상기 다수개의 열교환파이프는 유입구가 각각의 상기 열교환파이프 상단부에 형성되고 토출구는 각각의 상기 열교환파이프 하단부에 형성되되, 상기 다수개의 열교환파이프 각각의 유입구 및 토출구가 서로 수직 방향으로 연결되도록 상기 열교환파이프 상부측에서 각각의 유입구가 상부를 향하도록 지지하는 상부측 헤더플랜지 및 상기 다수개의 열교환파이프 하부측에서 각각의 토출구가 하부를 향하도록 지지하는 하부측 헤더플랜지를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환 장치는, 상기 다수개의 열교환파이프는 신축 가능한 주름관인 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환 장치는, 열전달 유체가 유입되기 위한 입구단이 상기 하부측 헤더플랜지에 연결되고, 열전달 유체가 출수되기 위한 출구단이 상기 상부측 헤더플랜지에 연결되는 중앙토출관과, 상기 다수개의 열교환파이프 각각의 유입구와 연결되는 제1측 내부공간이 형성되어 상기 제1측 내부공간과 상기 유체공급관을 연결하기 위한 입수구가 구비되고, 상기 중앙토출관의 출구단과 상기 유체회수관을 연결하기 위한 출수구가 구비되어 상기 상부측 헤더플랜지에 착탈 가능하게 결합되는 상부헤더와, 상기 다수개의 열교환파이프 각각의 토출구와 상기 중앙토출관의 입구단이 연결되도록 제2측 내부공간이 형성되어 상기 하부측 헤더플랜지에 착탈 가능하게 결합되는 하부헤더를 더 포함하되, 상기 유체공급관으로 공급된 열전달 유체는 상기 상부헤더의 제1측 내부공간에서 모여 다수개의 열교환파이프로 동시에 공급되고, 상기 다수개의 열교환파이프를 거치면서 지열에 의한 열교환이 이루어진 열전달 유체는 상기 하부헤더의 제2측 내부공간에서 모여 상기 중앙토출관으로 입수되어 상기 유체회수관을 통해 지상으로 회수되도록 한 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환 장치는, 상기 열교환파이프가 나선형으로 감겨있는 상태로 고정되도록 상기 열교환파이프 외측 단부가 끼워지기 위한 다수개의 고정홀이 상기 열교환파이프 길이방향을 따라 일정 간격으로 형성되어 상기 중앙토출관에 고정되는 파이프지지구를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 구성에 의하여 본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환 장치는 열교환 파이프 내부에서 열교환 유체가 머무르는 동안 지열을 충분히 흡수하도록 하여 열교환을 극대화시키도록 할 뿐만 아니라, 외부케이싱 내부로 투입되어 열교환이 이루어진 후 지상으로 펌핑되는 열전달 유체가 최대한 신속하게 회수될 수 있도록 함으로써 열교환 유체가 갖는 지열의 손실을 최소화시킬 수 있도록 하는 장점을 갖는다.
도 1은 종래의 일실시예에 따른 지열에 의한 열교환 시스템을 도시한 단면 구성도.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치를 도시한 분해사시도.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치를 도시한 사시도.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치의 일부 구성을 도시한 측면도.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치의 헤더 플랜지 부분을 도시한 평면도.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치를 도시한 부분단면도.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치가 설치된 상태를 도시한 사용상태예시도.
이하에서는 도면에 도시된 실시예를 참조하여 본 발명에 따른 지열을 이용한 열교환 장치를 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치를 도시한 분해사시도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치를 도시한 사시도이며, 도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치의 일부 구성을 도시한 측면도이고, 도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치의 헤더 플랜지 부분을 도시한 평면도이며, 도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치를 도시한 부분단면도이고, 도 7은 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치가 설치된 상태를 도시한 사용상태예시도이다.
도면을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치(1)는, 지중에 매설된 외부케이싱(1) 내부로 열전달 유체를 공급하여 지열에 의해 열교환이 이루어진 열전달 유체를 회수하기 위한 것으로, 열교환파이프(10), 유체공급관(20), 유체회수관(30)을 포함하여 구성된다.
상기 열교환파이프(10)는 지상에서 지하로 열전달 유체가 순환되도록 하기 위한 구성이다. 또한, 상기 열교환파이프(10)는 지하로 열전달 유체를 공급하기 위한 유입구(10a) 및 상기 유입구(10a)로 공급된 열전달 유체를 지상으로 회수하기 위한 토출구(10b)가 구비되어 상기 외부케이싱(1) 내부로 설치된다.
상기 유체공급관(20)은 상기 열교환파이프(10)에 열전달 유체를 공급하도록 상기 유입구(10a) 방향으로 유로가 연결된다. 이에 상기 유체공급관(20)은 도 7에 도시된 바와 같이 상기 외부케이싱(1) 내부에 설치된 열교환파이프(10)로 열전달 유체를 흘려보낼 수 있도록 일단부가 후술되는 상부헤더(14)의 입수구(14a)로 연결되고, 타단부가 지상에 설치되는 열교환기(H.E)로 연장되게 설치된다. 이때, 상기 열교환기(H.E)는 상기 열교환기(H.E)가 냉각기인 경우 상기 열교환파이프(10)에서 열교환이 이루어진 열전달 유체를 냉각하게 되고, 상기 열교환기(H.E)가 가열기인 경우 상기 열교환파이프(10)에서 열교환이 이루어진 열전달 유체를 가열하게 된다.
상기 유체회수관(30)은 상기 유체공급관(20)을 통해 상기 열교환파이프(10)로 공급된 열전달 유체가 지하를 통과하면서 지열에 의해 열교환이 이루어진 후 회수하도록 구성된 것이다. 이에 상기 유체회수관(30)은 도 7에 도시된 바와 같이 일단부가 후술되는 상부헤더(14)의 출수구(14b)로 연결되고, 타단부가 지상에 설치된 펌프(P)에 연결되어 상기 열교환파이프(10)를 통과하면서 열교환이 이루어진 열전달 유체를 상기 열교환기(H.E) 또는 유체를 저장하기 위한 별도의 저장탱크(도면미도시)로 회수할 수 있도록 설치된다.
한편, 상기 열교환파이프(10)는 상부측 헤더플랜지(11) 및 하부측 헤더플랜지(12)와, 중앙토출관(13)과, 상부헤더(14)와, 하부헤더(15)를 포함하여 구성된다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치는 상기 열교환파이프(10)가 상기 외부케이싱(1) 내부에서 일정 깊이만큼 상하 왕복하도록 나선형으로 감기게 형성된 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 열교환파이프(10)는 적어도 하나 이상의 다수개로 구성되어 상호간에 서로 순차적으로 감기면서 설치된다.
도 2를 참조하면, 상기 열교환파이프(10)는 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)로 이루어지게 된다. 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)는 상호간에 서로 순차적으로 감기면서 코일 형태로 감긴 형상으로 형성된다. 이와 같이 형성된 상기 열교환파이프(10)는 많은 양의 열전달 유체가 지하 공간에 오래 머물 수 있는 구조를 이루는 것으로, 지열에 의한 열교환을 극대화시키도록 구성된 것이다.
한편, 본 발명 지열을 이용한 열교환 장치는 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)는 유입구(10a)가 각각의 상기 열교환파이프(101,102,103,104) 상단부에 형성되고 토출구(10b)는 각각의 상기 열교환파이프(101,102,103,104) 하단부에 형성된다. 또한, 상기 상부측 헤더플랜지(11) 및 하부측 헤더플랜지(12)는 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104) 각각의 유입구(10a) 및 토출구(10b)가 서로 수직 방향으로 연결되도록 상기 열교환파이프(10) 상부측과 하부측 각각에 설치된다.
상기 상부측 헤더플랜지(11)는 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104) 상부측에서 각각의 유입구(10a)가 상부를 향하도록 지지한다. 상기 상부측 헤더플랜지(11)는 상기 유입구(10a)가 연결되기 위한 다수개의 연결구(11a)가 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)와 상응하는 개수만큼 상하 관통되게 형성되어 상기 연결구(11a)에 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104) 각각의 상단부가 연결될 수 있도록 한다.
상기 하부측 헤더플랜지(12)는 상기 상부측 헤더플랜지(11)와 동일한 구성으로 이루어지는 것으로, 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104) 하부측에서 각각의 토출구(10b)가 하부를 향하도록 지지한다. 이에 상기 하부측 헤더플랜지(12)는 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)와 상응하는 개수만큼 상하 관통되게 형성된 연결구(12a)가 형성되어 상기 연결구(12a)에 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104) 각각의 하단부가 연결될 수 있도록 한다.
즉, 상기 상부측 헤더플랜지(11) 및 하부측 헤더플랜지(12)는 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104) 상단부와 하단부에서 상기 유입구(10a) 및 토출구(10b)가 안정되게 위치하도록 지지하는 역할을 하도록 하는 것으로, 상기 열교환파이프(10)와 일체로 결합되어 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)를 안정적으로 지지하게 된다.
상술한 바와 같은 구성을 통해 본 발명 지열을 이용한 열교환 장치는 도 3에 도시된 바와 같이 다수개의 열교환 장치를 수직하게 연속되게 결합시킬 수 있게 된다. 즉, 상부에 위치되는 열교환 장치의 하부측 헤더플랜지(12)의 토출구(10b)와 하부에 위치하게 되는 열교환 장치의 상부측 헤더플랜지(11)의 유입구(10a)가 서로 이어질 수 있도록 형성된 것으로, 다수개의 열교환 장치가 서로 간편하게 결합될 수 있어 상기 열교환파이프(10)의 길이가 상기 외부케이싱(1) 내부로 길게 연장될 수 있도록 한다.
이때, 상기 상부측 헤더플랜지(11) 및 하부측 헤더플랜지(12)는 각각의 상기 연결구(11a,12a) 사이사이에 상하 관통된 다수개의 볼트공(11b,12b)이 형성되어 상기 볼트공(11b,12b)에 볼트를 체결함으로써 하부에 위치되는 열교환 장치의 상부측 헤더플랜지(11)와 상부에 위치되는 열교환 장치의 하부측 헤더플랜지(12) 상호간에 플랜지 결합될 수 있게 된다.
또한, 본 발명의 일실시에에 따른 지열을 이용한 열교환 장치는 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)는 신축 가능한 주름관인 것을 특징으로 한다.
도면을 참조하면, 상술한 바와 같은 상기 열교환파이프(10) 즉, 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)는 나선형으로 상호간에 순차적으로 감기도록 형성되어 있는 것이므로 가공이 쉽지 않은 단점을 갖는 것이었다. 따라서 본 발명에서는 상기 열교환파이프(10)가 플렉시블(flexible)한 재질의 주름관으로 구성되어 상기 열교환파이프(10)의 유체흐름의 저항을 최소화하면서 굴곡 형성이 자유롭게 형성된다. 또한, 상기 주름관으로 구성된 열교환파이프(10)는 스테인레스강(SUS) 재질로 형성되어 잦은 수분의 접촉에 의한 내식성에 강하도록 하게 된다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 지열을 이용한 열교환 장치는 열전달 유체가 유입되기 위한 입구단(13a)이 형성되어 상기 하부측 헤더플랜지(12)에 연결되고, 열전달 유체가 출수되기 위한 출구단(13b)이 형성되어 상기 상부측 헤더플랜지(11)에 연결되는 중앙토출관(13)을 더 포함하여 구성된다.
상기 중앙토출관(13)은 상기 열교환파이프(10)를 통해 열교환이 이루어진 열전달 유체가 상기 유체회수관(30)을 통해 지상으로 신속하게 회수될 수 있도록 구성된다. 이에 상기 중앙토출관(13)은 수직한 원통형으로 형성되며, 상기 입구단(13a)이 상단부에서 상부를 향하여 개구되어 상기 하부측 헤더플랜지(11)로 연결되고, 상기 출구단(13b)이 하단부에서 하부를 향하여 개구되어 상기 상부측 헤더플랜지(12)로 연결된다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 중앙토출관(13)은 상기 상부측 헤더플랜지(11)와 하부측 헤더플랜지(12)의 중앙을 수직하게 잇는 형태로 설치되어 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)의 내측에서 열교환파이프(10)에 의해 감싸지는 형태로 구비된다. 또한, 상기 상부측 헤더플랜지(11) 및 하부측 헤더플랜지(12)에는 상기 중앙토출관(13)의 입구단(13a)과 출구단(13b)이 연결되기 위한 삽입공(11c,12c)이 형성되는데, 상기 삽입공(11c,12c)에 의해 상기 중앙토출관(13)은 상단부와 하단부가 상부측 헤더플랜지(11) 및 하부측 헤더플랜지(12)에 삽입된 상태로 안정적으로 고정될 수 있게 된다. 이때, 상기 중앙토출관(13)은 상단부와 하단부 각각이 상기 삽입공(11c,12c) 각각의 내부로 삽입된 상태에서 용접되어 상기 상부측 헤더플랜지(11) 및 하부측 헤더플랜지(12)와 일체로 형성되도록 함으로써 본 발명 열교환 장치의 조립 및 설치가 매우 간편해지게 되는 장점을 갖게 된다.
상기와 같이 설치된 상기 중앙토출관(13)은 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)를 통해 공급된 열전달 유체가 지열에 의해 열교환이 이루어진 후 지상으로 펌핑되는 열전달 유체가 최대한 신속하게 회수될 수 있도록 함으로써 열교환 유체가 갖는 지열의 손실을 최소화시킬 수 있도록 하는 효과가 발생된다.
또한, 본 발명 지열을 이용한 열교환 장치는 상기 상부측 헤더플랜지(11) 상부로 결합되는 상부헤더(14) 및 상기 하부측 헤더플랜지(12) 하부로 결합되는 하부헤더(15)를 더 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.
상기 상부헤더(14)는 상기 상부측 헤더플랜지(11) 상부에 착탈 가능하게 설치되는 구성이다. 상기 상부헤더(14)는 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104) 각각의 유입구(10a)와 연결되는 제1측 내부공간(14')이 형성된다. 상기 상부헤더(14)는 상기 제1측 내부공간(14')을 형성하도록 원통형으로 형성되어 상단부로 입수구(14a) 및 출수구(14b)가 구비된다. 상기 입수구(14a)는 상기 제1측 내부공간(14')과 상기 유체공급관(20)을 연결하도록 구비된다. 상기 출수구(14b)는 상기 중앙토출관(13)의 출구단(13b)과 상기 유체회수관(30)을 연결하기 위해 구비된다. 즉, 상기 중앙토출관(13)을 통해 배출되는 열전달 유체가 상기 유체회수관(30)을 통해 상기 열교환기(H.E)로 회수될 수 있도록 설치된 것이다.
상기 하부헤더(15)는 상기 하부측 헤더플랜지(12) 하부에 착탈 가능하게 설치되는 구성이다. 상기 하부헤더(15)는 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104) 각각의 토출구(10b)와 상기 중앙토출관(13)의 입구단(13a)이 연결되도록 제2측 내부공간(15')이 형성된다. 상기 하부헤더(15)는 상기 제2측 내부공간(15')을 형성하도록 상기 상부헤더(14)와 같이 원통형으로 형성된다.
상기와 같이 구성된 상기 상부헤더(14) 및 하부헤더(15)는 상기 유체공급관(20)을 통해 공급된 열전달 유체가 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)를 순환하여 상기 유체회수관(30)을 통해 회수될 수 있도록 한다. 즉, 도 6을 참조하면 상기 유체공급관(20)으로 공급된 열전달 유체는 상기 상부헤더(14)의 제1측 내부공간(14')에서 모여 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)로 공급되고, 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)를 거치면서 지열에 의해 열교환이 이루어진 열전달 유체는 상기 하부헤더(15)의 제2측 내부공간(15')에서 모이게 되며, 상기 제2측 내부공간(15')에서 모인 열전달 유체는 상기 중앙토출관(13)으로 입수되어 곧바로 상기 유체회수관(30)을 통해 지상으로 신속하게 배출된다.
상기와 같이 상기 본 발명 지열을 이용한 열교환 장치는 열전달 유체가 상기 유체공급관(20), 상부헤더(14), 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104), 하부헤더(15), 중앙토출관(13) 및 상기 유체회수관(30)을 순차적으로 통과하면서 지하를 순환하며 지열을 통한 열교환이 이루어진 후 지상으로 회수되도록 한다. 따라서, 상기 열전달 유체가 순환하는 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)는 상호간에 서로 순차적으로 나선형으로 감기게 형성되는 것으로 유체가 머무르는 동안 지열을 충분히 흡수하도록 함으로써 열교환을 극대화시키게 된다. 또한, 이와 같이 열교환이 이루어진 열전달 유체는 상기 하부헤더(15)에서 모인 후 상기 중앙토출관(13)을 통해 신속하게 빠져나오게 되는데, 이때 상기 열교환파이프(10) 내측에 감싸지도록 수직하게 설치된 중앙토출관(13)은 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)에서 방출되는 열 또는 냉기에 의해 보온 또는 냉각 효과가 발생되기 때문에 지상으로 회수되는 열전달 유체는 열교환 지열의 손실없이 상기 중앙토출관(13)을 신속하게 통과할 수 있도록 하게 된다.
한편, 본 발명 지열을 이용한 열교환 장치는 상기 열교환파이프(10)는 파이프지지구(16)를 더 포함하여 구성된다.
상기 파이프지지구(16)는 상기 열교환파이프(10)가 나선형으로 감겨있는 상태로 고정하기 위한 구성이다. 상기 파이프지지구(16)는 상기 열교환파이프(10) 외측 단부가 끼워지기 위한 다수개의 고정홀(16a)이 길이방향으로 일정 간격으로 형성되는데, 바람직하게는 상기 열교환파이프(10)가 나선형으로 감겨있는 간격만큼 이격되게 형성된다. 도 3 및 도 4를 참조하면, 상기 파이프지지구(16)는 길이방향의 일정 간격마다 상기 고정링(16b)이 형성되어 상기 중앙토출관(13) 외측 단부에 끼워져 고정된다. 이로써, 나선형으로 감기게 형성된 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)는 일정 간격마다 상기 파이프지지구(16)의 상기 고정홀(16a)에 연속되게 끼워질 수 있어 상기 상부측 헤더플랜지(11) 및 하부측 헤더플랜지(12)로 안정적으로 연결될 수 있도록 쉽게 설치가 가능하게 되고, 유체의 흐름에 의한 진동이 감소될 수 있도록 하게 된다.
상술한 바와 같이 구성된 본 발명 지열을 이용한 열교환 장치는 상기 열교환파이프(10), 상부측 헤더플랜지(11), 하부측 헤더플랜지(12), 중앙토출관(13), 상부헤더(14), 하부헤더(15) 및 파이프지지구(16)의 구성이 일체형으로 간편하게 제작될 수 있어 생산단가가 저렴해지게 되며, 현장에서의 조립 및 설치 작업이 매우 편리해지는 효과가 발생되는 것이다.
또한, 상기 파이프지지구(16)에는 고정클립(16')이 구비된다. 상기 고정클립(16')은 상기 파이프지지구(16)의 최상측과 최하측 각각에 구비되는 것으로, 상기 파이프지지구(16)의 최상부와 최하부에 형성된 상기 고정홀(16a)의 양단부에 형성된 구멍에 체결되는 것이다. 따라서, 상기 고정클립(16')은 내측면에 반원형의 홈이 형성되어 상기 파이프지지구(16)의 고정홀(16a)에 끼워져 지지되는 상기 다수개의 열교환파이프(101,102,103,104)의 상단부와 하단부가 상기 고정홀(16a)로부터 이탈되지 않도록 고정하게 된다. 즉, 상기 고정클립(16')은 상기 열교환파이프(10)가 상기 파이프지지구(16)에 끼워지는 시작부분과 끝부분이 상기 고정홀(16a)로부터 빠져나오지 않도록 구비되는 고정수단인 것이다.
앞에서 설명되고 도면에 도시된 지열을 이용한 열교환 장치는 본 발명을 실시하기 위한 하나의 실시예에 불과하며, 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다. 본 발명의 보호범위는 이하의 특허청구범위에 기재된 사항에 의해서만 정하여지며, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 개량 및 변경된 실시예는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.
<주요 도면부호에 대한 간단한 설명>
10 열교환파이프 20 유체공급관
30 유체회수관 11 상부측 헤더플랜지
12 하부측 헤더플랜지 13 중앙토출관
13a 입구단 13b 출구단
14 상부헤더 14a 입수구
14b 출수구 14' 제1측 내부공간
15 하부헤더 15' 제2측 내부공간
16 파이프지지구 16a 고정홀
16' 고정클립

Claims (5)

  1. 지중에 매설된 외부케이싱 내부로 열전달 유체를 공급하여 지열에 의해 열교환이 이루어진 열전달 유체를 회수하기 위한 지열을 이용한 열교환 장치에 있어서,
    지하로 열전달 유체를 공급하기 위한 유입구 및 상기 유입구로 공급된 열전달 유체를 지상으로 회수하기 위한 토출구가 구비되어 상기 외부케이싱 내부로 설치되는 열교환파이프와, 상기 열교환파이프에 열전달 유체를 공급하도록 상기 유입구로 유로가 연결되는 유체공급관과, 상기 열교환파이프를 통과하면서 지열에 의해 열교환이 이루어진 열전달 유체를 회수하도록 상기 토출구로 유로가 연결되는 유체회수관을 포함하되,
    상기 열교환파이프는 상기 외부케이싱 내부에서 일정 깊이만큼 상하 왕복하도록 나선형으로 감기게 형성되고, 적어도 하나 이상 다수개로 구성되어 상호간에 서로 순차적으로 감기도록 설치되며,
    상기 다수개의 열교환파이프는 유입구가 각각의 상기 열교환파이프 상단부에 형성되고 토출구는 각각의 상기 열교환파이프 하단부에 형성되고,
    상기 다수개의 열교환파이프 각각의 유입구 및 토출구가 서로 수직 방향으로 연결되도록 상기 열교환파이프 상부측에서 각각의 유입구가 상부를 향하도록 지지하는 상부측 헤더플랜지, 및 상기 다수개의 열교환파이프 하부측에서 각각의 토출구가 하부를 향하도록 지지하는 하부측 헤더플랜지와, 열전달 유체가 유입되기 위한 입구단이 형성되어 상기 하부측 헤더플랜지에 연결되고 열전달 유체가 출수되기 위한 출구단이 형성되어 상기 상부측 헤더플랜지에 연결되는 중앙토출관과, 상기 다수개의 열교환파이프 각각의 유입구와 연결되는 제1측 내부공간이 형성되어 상기 제1측 내부공간과 상기 유체공급관을 연결하기 위한 입수구가 구비되고 상기 중앙토출관의 출구단과 상기 유체회수관을 연결하기 위한 출수구가 구비되어 상기 상부측 헤더플랜지에 착탈 가능하게 결합되는 상부헤더와, 상기 다수개의 열교환파이프 각각의 토출구와 상기 중앙토출관의 입구단이 연결되도록 제2측 내부공간이 형성되어 상기 하부측 헤더플랜지에 착탈 가능하게 결합되는 하부헤더를 더 포함하며,
    상기 유체공급관으로 공급된 열전달 유체는 상기 상부헤더의 제1측 내부공간에서 모여 다수개의 열교환파이프로 동시에 공급되고, 상기 다수개의 열교환파이프를 거치면서 지열에 의한 열교환이 이루어진 열전달 유체는 상기 하부헤더의 제2측 내부공간에서 모여 상기 중앙토출관으로 입수되어 상기 유체회수관을 통해 지상으로 회수되도록 한 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 다수개의 열교환파이프는 신축 가능한 주름관인 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환 장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 열교환파이프가 나선형으로 감겨있는 상태로 고정되도록 상기 열교환파이프 외측 단부가 끼워지기 위한 다수개의 고정홀이 상기 열교환파이프 길이방향을 따라 일정 간격으로 형성되어 상기 중앙토출관에 고정되는 파이프지지구를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 지열을 이용한 열교환 장치.
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