KR101507892B1 - 지열관의 제조 장치 - Google Patents

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Abstract

지중(地中)에 존재하는 열, 즉, 지열(地熱)로부터 건물의 난방에 필요한 열을 얻거나, 건물의 냉방을 위하여, 건물 내부의 열을 지중으로 배출하는데 사용되는 지열관, 그의 제조 장치 및 제조 방법이 개시된다. 상기 지열관은, 길이 방향으로 연장되어 있는 파이프형 본체; 및 상기 파이프형 본체의 내주면에 나선형으로 돌출 형성되어 있는 열전달 리브를 포함한다. 또한, 상기 지열관 제조 장치는, 합성수지를 용융시켜 공급하는 압출기; 길이 방향으로 다수의 홈이 표면에 형성되어 있는 멘드렐이 내부에 장착된 다이로서, 상기 멘드렐과 상기 다이 사이에는 용융된 합성수지가 이동하는 유로가 형성되어, 상기 압출기로부터 공급된 용융 합성수지를 상기 유로를 통하여 파이프 형상으로 분배하여, 내주면에 직선상의 열전달 리브가 형성된 파이프형 본체를 성형하는 다이; 및 상기 파이프형 본체의 외주면에 장착되어, 상기 파이프형 본체를 회전시켜 비틈으로써, 상기 직선상의 열전달 리브를 나선형 열전달 리브로 변형시키는 회전 장치를 포함한다.

Description

지열관의 제조 장치{Apparatus for producing geothermal pipe}
본 발명은 지열관, 그의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 지중(地中)에 존재하는 열, 즉, 지열(地熱)로부터 건물의 난방에 필요한 열을 얻거나, 건물의 냉방을 위하여, 건물 내부의 열을 지중으로 배출하는데 사용되는 지열관, 그의 제조 장치 및 제조 방법에 관한 것이다.
건물의 냉난방에 사용되는 에너지원으로서, 석탄, 석유, 천연가스 등의 화석 연료가 사용되거나, 이들 화석연료를 이용하여 생산된 전기 에너지가 일반적으로 사용되고 있다. 화석 연료는, 연소과정에서 각종 공해물질을 발생시켜, 수질 및 환경을 오염시키므로, 근래에는 화석 연료를 대신할 수 있는 대체 에너지의 개발이 활발히 연구되고 있다. 이러한 대체 에너지 중에서도, 풍력, 태양열, 지열 (geothermal energy) 등의 에너지원은 공기 오염, 기후 변화 등을 유발시키지 않으면서, 에너지를 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 에너지 밀도가 낮은 단점이 있다. 특히, 풍력과 태양열을 이용하여 에너지를 얻기 위해서는, 발전 설비의 설치 장소가 한정되고, 넓은 면적이 확보되어야 하며, 발전 설비의 설치 및 유지관리에 많은 비용이 소요되어야 한다. 따라서, 에너지 생산 설비의 설치 및 유지관리 비용이 상대적으로 저렴한 지열 에너지를 이용한 냉난방 장치에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다.
도 1은 지열을 이용한 통상적인 냉난방 장치의 일 예를 보여주는 도면이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 지열을 이용한 통상적인 냉난방 장치는, 가정집, 학교, 공장, 빌딩 등의 건물(5)에 설치되는 냉난방 장치(10)와 상기 냉난방 장치(10)에 결합된 지열 교환 시스템(20)을 포함한다(미국 특허공개 2011/0232795호 참조). 상기 냉난방 장치(10)는 내부 열교환기(12) 및 외부 열교환기(14)를 포함하며, 상기 내부 열교환기(12)는 건물(5) 내부로 열을 공급하거나(난방의 경우), 건물(5) 내부의 열을 흡수하는(냉방의 경우) 역할을 하고, 상기 외부 열교환기(14)는 건물(5) 내부의 열을 지열 교환 시스템(20)을 순환하는 냉매로 전달하거나, 지열 교환 시스템(20)을 순환하는 냉매로부터 지열을 전달받아, 건물(5) 내부로 공급하는 역할을 한다. 상기 지열 교환 시스템(20)은, 물 등의 냉매가 순환하는 폐쇄형(closed-loop) 구조의 지열관(22)을 포함한다. 상기 지열관(22)의 일단은 상기 외부 열교환기(14)에 연결되고, 나머지 부분은 지중(28)에 매설되어, 물 등의 냉매가 지중(28) 및 상기 외부 열교환기(14)를 경유하여 순환된다. 이와 같은 지열을 이용한 냉난방 장치의 효율은, 지중(28)의 지열과 상기 지열관(22)을 순환하는 냉매의 열교환 효율에 의존한다. 따라서, 상기 지열관(22)을 "U"자형 또는 코일형으로 배치하여, 지열관(22)과 지중(28) 토양의 접촉 면적을 증가시킴으로써, 지열과 냉매의 열교환 효율을 향상시키는 방법이 통상적으로 사용되고 있다. 그러나, 이와 같은 지열관(22)의 배치 구조 외에도, 지열과 냉매의 열교환 효율을 더욱 향상시킬 수 있는 지열관(22)의 개발이 요망되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은, 지열과 냉매의 열교환 효율이 우수한 지열관, 그의 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 간단한 방법으로 대량 생산될 수 있는 지열관, 그의 제조 장치 및 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은, 길이 방향으로 연장되어 있는 파이프형 본체; 및 상기 파이프형 본체의 내주면에 나선형으로 돌출 형성되어 있는 열전달 리브를 포함하는 지열관을 제공한다.
또한, 본 발명은, 합성수지를 용융시켜 공급하는 압출기; 길이 방향으로 다수의 홈이 표면에 형성되어 있는 멘드렐이 내부에 장착된 다이 구조로서, 상기 멘드렐과 상기 다이 사이에는 용융된 합성수지가 이동하는 유로가 형성되어, 상기 압출기로부터 공급된 용융 합성수지를 상기 유로를 통하여 파이프 형상으로 분배하여, 내주면에 직선상의 열전달 리브가 형성된 파이프형 본체를 성형하는 다이; 및 상기 파이프형 본체의 외주면에 장착되어, 상기 파이프형 본체를 회전시켜 비틈으로써, 상기 직선상의 열전달 리브를 나선형 열전달 리브로 변형시키는 회전 장치를 포함하는 지열관 제조 장치를 제공한다.
또한, 본 발명은, 압출기를 이용하여, 합성수지를 용융 및 압출시키는 단계; 다이 및 상기 다이 내부에 장착되어 있으며, 표면에는 길이 방향으로 다수의 홈이 형성된 멘드렐을 이용하여, 상기 용융된 합성수지를 파이프 형상으로 분배하여, 파이프 내면에 직선상으로 열전달 리브가 형성된 파이프형 본체를 압출 성형하는 단계; 및 상기 파이프형 본체를, 상기 파이프형 본체의 축을 중심으로 회전시켜 비틈으로써, 상기 멘드렐의 홈에 의하여 형성된 직선상의 열전달 리브를 나선형 열전달 리브로 변형시키는 단계를 포함하는 지열관의 제조 방법을 제공한다.
본 발명에 따른 지열관은, 지열과 냉매의 열교환 효율이 우수하며, 간단한 방법으로 대량 생산될 수 있는 장점이 있다.
도 1은 지열을 이용한 통상적인 냉난방 장치의 일 예를 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지열관의 일부 절개 사시도(A) 및 횡방향 단면도(B).
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지열관 제조 장치의 구조를 보여주는 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 지열관 제조 장치에 사용되는 멘드렐과 다이의 횡단면도(A) 및 상기 멘드렐과 다이에 의하여 1차 성형되는 지열관의 단면도(B).
이하, 첨부된 도면을 참조하여, 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 지열관의 일부 절개 사시도(A) 및 횡방향 단면도(B)이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열관은, 길이 방향(도 2의 x 방향)으로 연장되어 있는 파이프(pipe)형 본체(40) 및 상기 파이프형 본체(40)의 내주면에 나선형으로 돌출 형성되어 있는 열전달 리브(42, spiral rib)를 포함한다. 물 등의 냉매를 순환시키기 위한 통상의 지열관과 동일하게, 상기 파이프형 본체(40)는 지중에 매립되고, 그 내부로는 냉매가 통과하여, 상기 파이프형 본체(40) 외부의 지열과 상기 파이프형 본체(40) 내부의 냉매 사이에 열교환이 수행된다. 이와 같은 열교환이 수행될 수 있는 한, 상기 파이프형 본체(40)의 크기는 임의로 설정될 수 있으나, 예를 들면, 상기 파이프형 본체(40)의 외경은 20 내지 70 mm, 바람직하게는 30 내지 60 mm 이고, 내경은 10 내지 60 mm, 바람직하게는 20 내지 50 mm 이며, 두께는 2 내지 15 mm, 바람직하게는 4 내지 10 mm 이다. 여기서, 상기 파이프형 본체(40)의 외경, 내경 및 두께가 상기 범위를 벗어나면, 열전달 효율이 감소하거나, 지중 매설시 토압에 의해 상기 파이프형 본체(40)가 변형될 우려가 있다. 상기 파이프형 본체(40)의 길이는 지열관의 필요 매설 길이에 따라 자유롭게 설정될 수 있으며, 단면 파이프 형상도 원형, 육각형, 사각형, 삼각형 등 자유롭게 설정될 수 있으나, 토압에 의한 변형 등을 억제하는 측면에서, 원형인 것이 바람직하다.
상기 열전달 리브(42, rib)는, 상기 파이프형 본체(40)의 내주면에 나선형으로(spiral) 돌출 형성되어, 상기 파이프형 본체(40) 내부를 통과하는 냉매를 나선형으로 유동시킴으로써, 냉매의 체류 시간과 이동 속도를 동시에 증가시킨다. 또한, 상기 열전달 리브(42)는 상기 파이프형 본체(40)의 내부 표면적을 증가시킴으로써, 내부의 냉매와 외부의 지열 사이의 열교환 면적을 증가시킴으로써, 열교환 효율을 향상시킨다. 상기 열전달 리브(42)의 크기(폭 및/또는 높이)도, 상기 목적을 달성하는 한도 내에서 임의로 설정될 수 있으며, 예를 들면, 2 내지 15 mm, 바람직하게는 4 내지 10 mm 이다. 상기 열전달 리브(42)의 크기가 너무 작으면, 열교환 효율의 향상 효과가 불충분하고, 너무 크면, 냉매의 유동 속도가 오히려 감소하여, 열교환 효율이 저하될 우려가 있다. 상기 나선형 열전달 리브(42)의 피치(pitch, p)는 냉매의 나선형 유동 정도에 따라 임의로 설정될 수 있으나, 예를 들면, 10 내지 200 mm, 바람직하게는 20 내지 100 mm, 더욱 바람직하게는 30 내지 50 mm이다. 상기 리브(42)의 단면 형상도 원형, 육각형, 사각형, 삼각형 등 자유롭게 설정될 수 있다. 본 발명에 따른 지열관은, 지열관의 제조에 사용되는 통상의 다양한 합성수지로 제조될 수 있고, 바람직하게는 고밀도 폴리에틸렌(High Density Polyethylene, HDPE)으로 제조될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 지열관 제조 장치의 구조를 보여주는 단면도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열관 제조 장치는 압출기(50, extruder), 다이(52, die), 멘드렐(54, mandrel, 핀(pin)) 및 회전 장치(60, rotor device)를 포함하고, 필요에 따라, 사이징 슬리브(56, sizing sleeve), 진공탱크(58, vacuum tank) 등을 더욱 포함할 수 있다. 상기 압출기(50)는 파이프 등의 압출 성형물의 제조에 사용되는 통상의 장치로서, 호퍼(hopper, 미도시)를 통하여 공급되는 칩(chip) 또는 분말(POWDER) 상태의 합성수지를 압출기(50) 내부에 장착된 히터로 용융시키고, 융융된 합성수지를 압출기(50)의 내부에 장착된 이송 스크류를 이용하여 다이(52)로 공급하는 기능을 한다. 상기 다이(52) 역시 압출 성형물의 제조에 사용되는 통상의 장치로서, 내부에 멘드렐(54)이 장착되고, 상기 멘드렐(54)과 다이(52) 사이에는 용융된 합성수지(40a)가 이동하는 유로(52a)가 형성되어, 상기 압출기(50)로부터 공급된 용융 합성수지(40a)를 상기 유로(52a)를 통하여 파이프 형상으로 분배하여, 파이프형 본체(40)을 성형하고, 제조되는 파이프형 본체(40)의 크기를 일차적으로 제어한다. 상기 다이(52)는 파이프형 본체(40)의 외면을 성형하고, 상기 멘드렐(54)은 파이프형 본체(40)의 내면을 성형하므로, 상기 다이(52)와 멘드렐(54)의 단면 형상에 따라, 상기 파이프형 본체(40)의 단면 형상이, 상술한 바와 같이, 원형, 육각형, 사각형, 삼각형 등으로 자유롭게 설정될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 지열관 제조 장치에 사용되는 멘드렐(54)과 다이(52)의 횡단면도(A) 및 상기 멘드렐(54)과 다이(52)에 의하여 1차 성형되는 지열관의 단면도(B)이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열관 제조 장치에 있어서, 상기 멘드렐(54)의 표면에는 길이 방향으로 다수의 홈(54a)이 형성되어, 상기 파이프형 본체(40)의 내주면에 직선상의, 즉, 길이 방향으로 연장된 열전달 리브(42a)를 형성한다. 상기 멘드렐(54)의 홈(54a)에 의하여 1차 형성되는 열전달 리브(42a)는, 상기 멘드렐(54)과 다이(52) 사이의 유로(52a)에서 합성수지의 단순 압출에 의하여 형성되므로, 파이프형 본체(40)의 길이 방향, 즉, 파이프형 본체(40)의 압출 방향을 따라 직선상으로 형성된다. 상기 멘드렐(54)의 표면에 형성되는 홈(54a)의 개수는, 상기 파이프형 본체(40)의 내면에 형성되는 열전달 리브(42a) 사이의 간격에 따라 적절히 설정될 수 있으며, 1 내지 16개, 바람직하게는 2 내지 8개, 더욱 바람직하게는 2 내지 4개이다. 상기 홈(54a) 및 열전달 리브(42a)의 개수가 너무 많으면, 지열관 내부을 흐르는 냉매의 나선형 유동을 효과적으로 유도할 수 없게 될 우려가 있다.
상기 사이징 슬리브(56)는, 상기 멘드렐(54)과 다이(52)에 의하여 1차 성형된 파이프형 본체(40)의 외경 및 내경을 지열관의 최종 목표 치수에 근접하게, 바람직하게는, 최종 목표 치수로 제한하여, 상기 파이프형 본체(40)의 크기를 목표 치수에 근사하도록 2차적으로 성형하는 부가적인 장치이다. 일반적으로, 상기 파이프형 본체(40)의 외경은 상기 사이징 슬리브(54)의 크기, 파이프형 본체(40)의 생산 속도, 두께, 냉각 속도, 수축율 등의 영향을 받는다. 상기 진공탱크(58)는 상기 파이프형 본체(40)의 외부로 진공을 인가하여, 파이프형 본체(40)의 외경을 최종 목표 치수로 성형하는 역할을 한다.
상기 회전 장치(60, rotor device)는 상기 파이프형 본체(40)의 외주면에 장착되어, 상기 파이프형 본체(40)를 회전시켜 비틈으로써, 상기 멘드렐(54)의 홈(54a)에 의하여 형성된 직선상의 열전달 리브(42a)를 나선형 열전달 리브(42)로 변형시킨다. 상기 회전 장치(60)로는, 상기 파이프형 본체(40)의 외주면에 장착되어, 상기 파이프형 본체(40)의 축을 중심으로, 상기 파이프형 본체(40)를 회전시켜 비트는 동시에, 상기 파이프형 본체(40)의 길이 방향으로, 상기 파이프형 본체(40)를 압출시킬 수 있는 다양한 수단을 사용할 수 있다. 예를 들면, 상기 회전 장치(60)는, 상기 파이프형 본체(40)의 외면에 진공을 인가하여 상기 파이프형 본체(40)의 외면을 고정한 후, 상기 파이프형 본체(40)의 축을 중심으로 선회하도록 설치된 진공탱크(58)일 수 있다. 이를 좀 더 구체적으로 살펴보면, 상술한 진공탱크(58)를 이용하여, 상기 파이프형 본체(40)의 외부에 진공을 인가하여, 상기 파이프형 본체(40)의 외면을 진공탱크(58)에 고정한 후, 상기 파이프형 본체(40)의 축을 중심으로 선회하도록, 상기 진공탱크(58)를 회전시킴으로써, 상기 파이프형 본체(40)를 회전시켜 비틀 수도 있다. 이 경우, 회전하도록 장착된 진공탱크(58)가 상기 회전 장치(60)의 역할을 한다. 상기 회전 장치(60)에 의한 파이프형 본체(40)의 회전은, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 파이프형 본체(40)의 축을 중심으로 일방향으로(시계 방향 또는 반시계 방향) 회전하면서 수행될 수도 있고, 일 방향으로 소정 각도, 예를 들면, 360도 회전한 후, 반대 방향으로 소정 각도, 예를 들면, 360도 회전하는 등, 회전 방향을 주기적으로 변경하면서 수행될 수도 있다. 상기 회전 장치(60)의 회전 속도에 비례하여, 상기 나선형 열전달 리브(42)의 피치(pitch)가 결정된다. 즉, 상기 회전 장치(60)의 회전 속도가 빨라질수록, 상기 나선형 열전달 리브(42)의 피치가 짧아진다. 도 3에 있어서, 상기 회전 장치(60)는 상기 사이징 슬리브(56) 및 진공탱크(58)의 후단에 설치되어 있으나, 필요에 따라, 상기 사이징 슬리브(56) 및 진공탱크(58)의 전단에 상기 회전 장치(60)가 설치될 수도 있다. 이 경우, 상기 다이(52) 및 멘드렐(54)에서 형성된 파이프형 본체(40)의 유동성이 높은 상태에서, 상기 회전 장치(60)를 이용하여 상기 파이프형 본체(40)를 회전시키고(비틀고), 상기 사이징 슬리브(56) 및 진공탱크(58)를 이용하여, 상기 파이프형 본체(40)의 크기를 최종 정밀 제어하므로, 상기 파이프형 본체(40)의 성형이 용이한 장점이 있으나, 상기 파이프형 본체(40)의 회전 제어가 정밀히 수행되지 않으면, 제품 불량이 발생할 우려가 있다.
다음으로, 도 2 내지 4을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 지열관의 제조 방법을 설명한다. 본 발명에 따라 지열관을 제조하기 위해서는, 먼저, 압출기(50)를 이용하여, 합성수지를 용융 및 압출시키고, 다이(52) 및 상기 다이(52) 내부에 장착되어 있으며, 표면에는 길이 방향으로 다수의 홈(54a)이 형성된 멘드렐(54)을 이용하여, 상기 용융된 합성수지를 파이프 형상으로 분배하여, 내면에 직선상으로 열전달 리브(42a)가 형성된 파이프형 본체(40)를 압출 성형한다. 다음으로, 상기 파이프형 본체(40)를, 상기 파이프형 본체(40)의 축을 중심으로 회전시켜 비틈으로써, 상기 멘드렐(54)의 홈(54a)에 의하여 형성된 직선상의 열전달 리브(42a)를 나선형 열전달 리브(42)로 변형시킨다. 이때, 필요에 따라, 상기 직선상의 열전달 리브(42a)를 나선형 열전달 리브(42)로 변형시키기 전 또는 후에, 상기 사이징 슬리브(56) 및 진공 탱크(58)를 이용하여, 상기 파이프형 본체(40)의 외경 및 내경을 최종 목표 치수로 성형할 수 있다. 끝으로, 상기 나선형 열전달 리브(42)가 내주면에 형성된 파이프형 본체(40)를 냉각하고, 인취 및 절단하여, 본 발명에 따른 지열관을 제조할 수 있다.

Claims (6)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 합성수지를 용융시켜 공급하는 압출기;
    길이 방향으로 다수의 홈이 표면에 형성되어 있는 멘드렐이 내부에 장착된 다이로서, 상기 멘드렐과 상기 다이 사이에는 용융된 합성수지가 이동하는 유로가 형성되어, 상기 압출기로부터 공급된 용융 합성수지를 상기 유로를 통하여 파이프 형상으로 분배하여, 내주면에 직선상의 열전달 리브가 형성된 파이프형 본체를 성형하는 다이; 및
    상기 파이프형 본체의 외주면에 장착되어, 상기 파이프형 본체를 회전시켜 비틈으로써, 상기 직선상의 열전달 리브를 나선형 열전달 리브로 변형시키는 회전 장치를 포함하며,
    상기 파이프형 본체의 외경은 20 내지 70 mm, 내경은 10 내지 60 mm, 두께는 2 내지 15 mm이며, 상기 나선형 열전달 리브의 크기는 4 내지 10 mm이고, 피치(pitch)는 20 내지 100 mm이며,
    상기 회전 장치는, 상기 파이프형 본체의 외면에 진공을 인가하여 상기 파이프형 본체의 외면을 고정한 후, 상기 파이프형 본체의 축을 중심으로 선회하도록 설치된 진공탱크인 것인, 지열관 제조 장치.
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