KR101636741B1 - 지열정 단열 파이프 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열정의 내부에 삽입하여 상기 지열정을 따라 열전달매체가 유동하도록 형성되는 파이프에 관한 것으로 지상으로부터 상기 지열정의 하부까지 연장되고 상기 지열정에 비하여 상대적으로 작은 직경으로 형성되어, 상기 지열정의 내측면과 이격되어 배치되는 외관부, 상기 외관부의 길이와 대응되는 길이와 상기 외관부에 비하여 상대적으로 작은 직경으로 형성되어, 상기 외관부의 내측면과 이격되어 배치되는 내관부 및 적어도 하나 이상의 단열소재가 상기 외관부 및 상기 내관부의 사이 공간에 구비되어 형성되는 단열부를 포함한다.

Description

지열정 단열 파이프{INSULATION PIPE FOR GEOTHERMAL BOREHOLE}

본 발명은 지열정 단열 파이프에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 지열정의 내부에 열전달매체를 순환시켜 지열을 회수하는 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 지열정 단열 파이프에 관한 것이다.

지반의 내부에 보유되어 있는 열인 지열은 지구 내부 맨틀의 대류 또는 지각 속의 방사성 물질의 붕괴 또는 화산지역의 마그마 등에 의한 열을 그 열원으로 한다.

이러한 지열을 에너지원으로 이용하기 위하여 전 세계 약 80개국 이상에서 지열에너지를 활용하고 있으며, 지열활용을 기술별로 분류하면 다음과 같다.

첫째, 심도 30~200m 내외를 천공하고 히트펌를 사용하여 냉난방하는 기술인 소구경의 수직밀폐형 천부지열 기술이 있고, 둘째, 소구경 300~500 m 가령을 시추하고 지하의 지하수를 직접 순환하고 히트펌프를 이용하는 관정형 천부지열 기술, 셋째 하산지대에서 사용하는 방식으로써 소구경 1000m이상을 시추하고 지하에서 200℃이상의 고온수를 직접 지상으로 끌어 올려 지열 발전하는 기술, 넷째 심도 500m~5,000m의 장심도 대구경을 시추하여 지열순환매체를 순환시키는 방식을 통해 열만 지상으로 끌어 올리고 히트펌프 없이 지열직접 난방 및 발전하는 기술인 심부지열 기술로 크게 분류할 수 있다.

본 발명은 마지막 네 번째 언급한 기술에 해당되는 것으로써 지열정을 시추하고, 지열정의 내부에 파이프 또는 지중열교환기를 삽입하여 지열정을 따라 열전달매체가 유동하여 지하 고온의 열을 지상으로 열손실 없이 생산이 가능케 하는 장심도/고효율의 대구경 심부지열 지중열교환기 제조에 관한 기술이다.

특히, 전 세계 지열산업은 기존의 천부지열에서 고효율 형태인 심부지열 형태로 산업 패러다임이 전환되고 있어 본 발명에서 제안하는 대구경/심부지열 기술은 전세계적으로 최근 많은 관심을 끌고 있는 실정이다.

또한, 본 발명은 우리나라와 같은 비화산지대이면서, 암반이 단단한 화강암 지대에 매우 적합한 기술로써 향후 개발 성공시 국내 지열산업의 가속화와 새로운 지열에너지 사업 창출이 가능한 기술이라 하겠다.

즉, 지열정에 하나 이상의 파이프를 삽입하여 지열정 내부의 공간을 구획하고, 구획된 공간의 일부를 통하여 열전달매체가 주입정 내부로 주입되어 지열을 공급받고, 다른 구획된 공간을 통하여 지상으로 회수되어 열 에너지를 이용하는 구성이다.

본 기술에서 제안하는 장심도 지중열교환기 구동 특성을 살펴보게 되면, 지열정 상부에서는 생산온도와 주입온도 간의 온도차이가 크기 때문에 상부에서는 생산정 및 주입정이 상호간의 큰 온도차이에 의하여 열전달이 크게 일어나기 때문에 생산정의 온도가 하강하여 고온수 생산 능력이 감소할 수 있다.

즉, 지열정의 내부로 주입되는 열전달매체의 온도는 지열정 하부의 온도에 비해 상대적으로 낮은 온도를 가지고 있고, 지열정의 하부에서 열전달매체가 가열된 상태로 회수되므로, 지열정의 상부측에서 파이프로 인해 구획된 공간 간의 온도차가 커지게 되는 문제점이 있다.

이러한 경우, 지열정의 내부에 삽입된 파이프를 통하여 열전달이 발생하게 되고, 따라서 가열된 열전달매체의 열이 새로 주입되는 열전달매체로 전달되면서 회수되는 열전달매체의 온도가 낮아지게 된다.

따라서, 전체적인 지열 회수 순환시스템의 효율이 낮아질 수 밖에 없고, 이는 지열 회수 순환시스템의 시공 및 운영에 있어서 경제성이 낮아지는 문제점이 있다.

본 발명의 기술적 과제는, 배경기술에서 언급한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지열정의 내부에 열전달매체를 순환시켜 지열을 회수하는 시스템의 효율을 향상시킬 수 있는 지열정 단열 파이프를 제공하는 것이다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

기술적 과제를 해결하기 위해 안출된 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프는 지열정의 내부에 삽입하여 상기 지열정을 따라 열전달매체가 유동하도록 형성되는 파이프에 관한 것으로, 지상으로부터 상기 지열정의 하부까지 연장되고 상기 지열정에 비하여 상대적으로 작은 직경으로 형성되어, 상기 지열정의 내측면과 이격되어 배치되는 외관부, 상기 외관부의 길이와 대응되는 길이와 상기 외관부에 비하여 상대적으로 작은 직경으로 형성되어, 상기 외관부의 내측면과 이격되어 배치되는 내관부 및 적어도 하나 이상의 단열소재가 상기 외관부 및 상기 내관부의 사이 공간에 구비되어 형성되는 단열부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 지열정 단열 파이프는 상기 지열정 단열 파이프 상부의 열저항이 상기 지열정 단열 파이프 하부의 열저항보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 외관부는 상기 외관부 상부의 직경이 상기 외관부 하부의 직경보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

또한, 상기 내관부는 상기 내관부 상부의 직경이 상기 내관부 하부의 직경보다 상대적으로 작게 형성될 수 있다.

그리고, 상기 단열부는 상기 단열부 상부의 두께가 상기 단열부 하부의 두께보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

또한, 상기 단열부는 상기 단열부 상부 단열소재의 열전달율이 상기 단열부 하부 단열소재의 열전달율에 비하여 상대적으로 낮을 수 있다.

이때, 상기 단열부의 열전달율이 서로 상이하게 형성되는 복수개의 파이프가 길이방향으로 연결될 수 있다.

또한, 상기 지열정의 내부로 삽입되는 상기 파이프의 하단부에는 상기 단열부가 구비되지 않을 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프는 지열정의 내부에 삽입하여 상기 지열정을 따라 열전달매체가 유동하도록 형성되는 파이프에 관한 것으로, 지상으로부터 상기 지열정의 하부까지 연장되고 상기 지열정에 비하여 상대적으로 작은 직경으로 형성되어, 상기 지열정의 내측면과 이격되어 배치되며, 단열소재로 형성되는 단열파이프부를 포함할 수 있다.

여기서, 상기 단열파이프부는 상기 단열파이프부 상부의 두께가 상기 단열파이프부 하부의 두께보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

또한, 상기 단열파이프부는 상기 단열파이프부 상부의 열전달율이 상기 단열파이프부 하부의 열전달율에 비하여 상대적으로 낮을 수 있다.

이때, 서로 상이한 열전달율을 가지는 복수개의 상기 단열파이프부가 길이방향으로 연결되어 형성될 수 있다.

본 발명에 따른 지열정 단열 파이프에 의하면 다음과 같은 효과를 얻을 수 있다.

첫째, 지열정의 내부로 열전달매체가 순환할 때, 지열정 내부에 삽입되는 파이프의 내부 및 외부간에 열전달율을 낮춰 지열 회수 효율을 향상시킬 수 있다.

둘째, 지열정 내부의 깊이에 따라 단열 성능을 차등적으로 적용하여 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 제조 단가 등의 비용을 절감할 수 있다.

이러한 본 발명에 의한 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 청구범위의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 제1 변형예를 나타내는 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 제1 변형예에서 생산정 내부의 유속이 변화하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 제1 변형예에서 주입정 내부의 유속이 변화하는 상태를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 제2 변형예를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제2 실시예의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제2 실시예의 제1 변형예를 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제2 실시예의 제2 변형예를 나타내는 도면이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

아울러, 본 발명을 설명하는데 있어서, 전방/후방 또는 상측/하측과 같이 방향을 지시하는 용어들은 당업자가 본 발명을 명확하게 이해할 수 있도록 기재된 것들로서, 상대적인 방향을 지시하는 것이므로, 이로 인해 권리범위가 제한되지는 않는다고 할 것이다.

<제1 실시예 >

먼저, 도 1 내지 도 5를 참조하여, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 구성 및 효과에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

여기서, 도 1은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 구성을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 제1 변형예를 나타내는 도면이며, 도 3은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 제1 변형예에서 생산정 내부의 유속이 변화하는 상태를 나타내는 도면이고, 도 4는 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 제1 변형예에서 주입정 내부의 유속이 변화하는 상태를 나타내는 도면이다.

또한, 도 5는 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 제2 변형예를 나타내는 도면이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프는 외관부(100), 내관부(200) 및 단열부(300)를 포함할 수 있다.

외관부(100)는 지열정의 내부로 삽입되는 구성으로, 지상으로부터 지열정의 하부까지 연장되는 길이와 지열정에 비하여 상대적으로 작은 직경의 파이프 형태로 형성될 수 있다.

또한, 지열정의 내부에 삽입될 때 지열정의 내측면과 이격되어 삽입되어 배치되어, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 외부가 열전달매체가 지열정의 내부로 주입되는 주입정이 되도록 구성될 수 있다.

이러한 외관부(100)의 구성은 파이프의 형태를 유지하고, 지반 내부의 압력 및 유동하는 열전달매체의 압력을 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지는 소재로 형성되는 것이 유리할 수 있다.

한편, 내관부(200)는 전술한 외관부(100)의 길이와 대응되는 길이 및 외관부(100)에 비하여 상대적으로 작은 직경을 가지는 파이프의 형태로 형성될 수 있다.

또한, 전술한 외관부(100)의 내부에 구비되며, 외관부(100)의 내측면과 이격되어 외관부(100) 및 내관부(200)의 사이에 공간이 형성되도록 구비되는 것이 유리할 수 있다.

이러한 내관부(200)의 구성 역시, 파이프의 형태를 유지하고, 지반 내부의 압력 및 유동하는 열전달매체의 압력을 견딜 수 있는 충분한 강도를 가지는 소재로 형성되는 것이 유리할 수 있다.

전술한 외관부(100) 및 내관부(200)의 구성은 후술하는 단열부(300) 또는 별도의 연결부재(미도시)를 통하여 상호 결합되어, 일체형으로 구성될 수도 있고, 또는 선택적으로 착탈 가능하게 구성되어 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프를 설치하는 곳에서 조립하도록 구성될 수도 있다.

즉, 외관부(100) 및 내관부(200)를 포함하는 이중관 형태의 파이프로 구성된다면 그 형상 및 구성은 제한되지 않고 다양할 수 있다.

한편, 단열부(300)는 적어도 하나 이상의 단열소재가 전술한 외관부(100) 및 내관부(200)의 사이 공간에 구비되어 형성되는 구성으로, 전술한 외관부(100) 및 내관부(200) 간에 발생하는 열교환 효율을 낮추는 역할을 수행하는 구성일 수 있다.

본 실시예에서 단열부(300)는 발포 우레탄, 발포 고무 등과 같은 발포성 단열소재가 충진된 형태로 구성되며, 이러한 경우 외관부(100)의 일측에 발포성 단열소재가 외관부(100) 및 내관부(200) 사이의 공간에 주입될 수 있는 주입구가 형성되는 것이 유리할 수 있다.

주입구를 통해 주입된 발포성 단열소재는 팽창하며, 외관부(100) 및 내관부(200) 사이의 공간을 따라 유동하여 외관부(100) 및 내관부(200)의 사이에 충진될 수 있다.

이러한 단열부(300)의 구성은 전술한 실시예에 제한되지 않고, 공기, 스티로폼, 유리섬유 등의 다양한 단열소재가 적용되는 등 그 소재 및 구성은 다양할 수 있다.

또한, 단열부(300)는 전술한 외관부(100) 및 내관부(200) 사이의 공간에 충진되어 고정되거나, 외관부(100) 및 내관부(200) 사이의 공간 형태와 대응되는 형태로 가공되어 선택적으로 착탈가능하게 형성될 수도 있다.

즉, 단열부(300)는 외관부(100) 및 내관부(200)의 사이에 구비되어 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 내부와 외부의 열전달 효율을 떨어뜨리도록 마련된다면, 그 형태 및 구성은 제한되지 않고 다양할 수 있다.

전술한 모든 구성을 포함하는 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프는 지반에 형성된 지열정의 내부에 삽입되고, 지열정의 내부로 주입되는 열전달매체가 지열정을 따라 순환할 수 있는 유로를 형성할 수 있다.

본 실시예에서는 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 외측과 지열정의 내측면 사이에 열전달매체가 주입되고, 지열정의 하부에서 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 내부로 열전달매체가 유입되어 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 내부를 통하여 열전달매체를 지상으로 회수할 수 있다.

이러한 열전달매체의 유동을 위한 동력을 제공하기 위하여 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 내부 또는 지상에 별도의 펌프가 구비될 수도 있다.

즉, 지열정의 내부로 주입된 열전달매체는 지열정의 내측면을 통해 지열을 전달받아 가열되고, 가열된 열전달매체가 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 내부를 통해 회수될 수 있다.

이때, 전술한 모든 구성을 통하여, 생산정에서 열전달매체를 통해 회수되는 지열이 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프를 통해 주입정으로 수평이동하는 것을 방지하여 열손실을 최소화하는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 지열정의 상부에서 주입되는 열전달매체는 가열되어 회수되는 열전달매체에 비하여 상대적으로 온도가 낮기 때문에, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 외부와 내부의 온도차가 매우 커질 수 있다.

반면에, 지열정의 하부에서는 주입되는 열전달매체가 모두 가열된 상태로 회수되는 열전달매체의 온도와 유사하므로, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 외부와 내부의 온도차가 상대적으로 적을 수 있다.

따라서, 다음과 같은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 변형예가 적용될 수 있다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 제1 변형예는 외관부(100), 내관부(200) 및 단열부(300)를 포함할 수 있다.

여기서, 외관부(100), 내관부(200) 및 단열부(300)는 전술한 제1 실시예의 외관부(100), 내관부(200) 및 단열부(300)의 구성과 기본적으로는 동일한 구성으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다만, 본 변형예에서 외관부(100)는 외관부(100) 상부의 직경(L1-a)이 외관부(100) 하부의 직경(L1-b)보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

또한, 본 변형예에서 내관부(200)는 내관부(200) 상부의 직경(L2-a)이 내관부(200) 하부의 직경(L2-b)보다 상대적으로 작게 형성될 수 있다.

이러한 구성은, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프에 있어서, 상부로 갈수록 전술한 외관부(100) 및 내관부(200) 사이의 간격이 커지게 되어, 외관부(100) 및 내관부(200)의 사이 공간에 구비되는 단열부(300)의 두께가 두꺼워질 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 내부 및 외부의 온도차가 상대적으로 높은 상부에서는 높은 단열 성능을 확보하고, 내부 및 외부의 온도차가 상대적으로 낮은 하부에서는 낮은 단열 성능을 확보할 수 있다.

전술한 외관부(100) 및 내관부(200)의 구성은 두 구성이 함께 적용될 수도 있고, 또는 어느 하나의 구성만 적용될 수도 있는 등, 상부에서의 단열부(300) 두께가 하부에 비해 상대적으로 두껍게 형성되도록 구성된다면 그 형태 및 구성은 제한되지 않고 다양할 수 있다.

이러한 본 변형예의 구성은, 도 2의 (a)에 도시된 바와 같이, 외관부(100) 및 내관부(200)가 경사진 형태로 형성될 수도 있고, 도 2의 (b)에 도시된 바와 같이, 계단식으로 구성될 수도 있다.

계단식으로 구성되는 경우, 외관부(100) 및 내관부(200)를 제조하기가 보다 용이하기 때문에, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프를 제조하는데 소요되는 비용 및 노력을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 전술한 본 변형예의 구성은 불필요한 단열 성능을 줄여 소요되는 단열재의 양을 줄여, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 제조 등에 소요되는 비용을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 같은 양의 단열재를 사용하더라도 보다 효율적으로 단열성능을 집중시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 변형예의 구성에 따른 형태로 인하여 열전달매체가 지열정 내부를 유동하는 유로의 폭이 지열정의 하부로 갈수록 넓어지게 형성되는데, 이는 같은 압력으로 열전달매체가 유동할 때 유로의 폭이 넓어지면서 열전달매체의 유속이 느려질 수 있다.

따라서, 열전달매체가 지열정의 하부에서 지열을 회수하는 효율이 향상되는 효과를 얻을 수도 있다.

이러한 효과에 대하여 보다 상세히 설명하면, 도 3에 도시된 바와 같이 내관부(200)의 상부 직경이 하부 직경에 비해 상대적으로 작게 형성되는 경우 지열을 회수하는 생산정의 유로 폭이 변동될 수 있다.

따라서, 생산정을 통해 회수되는 열전달매체의 유속이 생산정의 상부로 갈수록 빨라지게 되어, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 내부 및 외부 간의 열교환양을 줄일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프를 이용한 지중열효관기의 효율이 크게 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 도 4에 도시된 바와 같이, 외관부(100)의 상부 직경이 하부 직경에 비해 상대적으로 크게 형성되는 경우 지열정의 내부로 열전달매체를 주입하는 주입정의 유로 폭이 변동될 수 있다.

따라서, 주입정을 통해 주입되는 열전달매체의 유속이 주입정의 하부로 갈수록 느려지게되어, 지열정의 하부에서 지열을 전달받을 수 있는 시간이 길어질 수 있다.

즉, 지하의 암반으로부터 열을 최대한 많이 전달받아 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프를 이용한 지중열교환기의 효율이 크게 향상되는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제1 실시예의 제2 변형예는 외관부(100), 내관부(200) 및 단열부(300)를 포함할 수 있다.

여기서, 외관부(100) 및 내관부(200) 전술한 제1 실시예의 외관부(100) 및 내관부(200)의 구성과 기본적으로는 동일한 구성으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다만, 도 5의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 변형예에서 단열부(300)는 서로 다른 단열 성능을 가지는 복수개 종류의 단열소재(310, 320, 330)로 형성될 수 있다.

즉, 높은 단열성능이 필요한 부분과 상대적으로 낮은 단열성능이 요구되는 부분에 서로 다른 단열소재를 적용하여 단열부(310, 320, 330)를 구성할 수 있다.

이러한 서로 다른 단열 성능을 가지는 단열소재의 선택은, 단열소재의 가격, 시공의 용이성, 내구성 등을 종합적으로 판단하여 적합한 소재를 선택하는 것이 유리할 수 있다.

각 부위별 단열 성능은 전술한 제1 실시예의 제1 변형예에서와 마찬가지로 상부가 하부에 비하여 상대적으로 높은 단열성능을 갖도록 구성하는 것이 유리할 수 있다.

즉, 단열부 상부 단열소재(310)의 열전달율이 단열부 하부 단열소재(330)의 열전달율에 비하여 상대적으로 낮게 구성될 수 있다.

이러한 구성은 보다 효율적으로 단열성능을 집중시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있으며, 단열부(310, 320, 330)를 구성하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.

본 변형예에 따른 지열정 단열 파이프는 단일 파이프에 위치별로 다른 단열소재를 주입하여 구성할 수 있다.

한편, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 변형예에 따른 지열정 단열 파이프 중 지열정의 최하단부 측에 삽입되는 부위에는 단열부(300)가 구비되지 않을 수도 있다.

이러한 경우, 외관부(100) 및 내관부(200) 사이의 공간에 별도의 단열부(300)가 구비되지 않을 수도 있고, 본 변형예에서와 같이, 이중관 형태로 형성되는 파이프가 단일관 구조로 변형되며, 단열부(300)가 구비되지 않도록 형성될 수도 있다.

일례로, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 하단부는 단열재가 구비되지 않은 단일 배관으로 구성되는 것이 유리할 수 있다.

위와 같은 단일 배관을 구성할 때에는 저렴한 비용이 장점인 플라스틱 배관을 사용할 수도 있고, 강성이 높은 강관을 이용하여 지열정 내부에서 전체적인 지열정 단열 파이프를 지지할 수도 있다.

또한, 이러한 구성 역시 효율적으로 단열성능을 집중시키고, 단열부(300)의 구성에 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 소정의 길이로 형성되는 복수개의 파이프에 서로 다른 소재의 단열소재를 주입하여 복수개의 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프를 선택적으로 연결하여 구성할 수도 있다.

본 변형예에서는 단열부(310, 320, 330)의 열전달율이 서로 상이하게 형성되는 복수개의 파이프가 길이방향으로 연결되도록 구성될 수 있다.

이러한 구성은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 운반 및 설치 등의 편의성을 확보할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 복수개의 파이프를 연결하는 구성은 전술한 제1 실시예 및 제1 실시예의 제1 변형예에도 적용될 수 있다.

전술한 구성을 통해, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프는 지열정 단열 파이프 상부의 열저항이 지열정 단열 파이프 하부의 열저항보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

푸리에 법칙을 적용하여, 열전달율은 일종의 흐름이라 하고 열전도계수, 물질의 두께 및 단면적의 조합은 이 흐름에 대한 저항이라 하며, 온도는 열유동을 위한 구동함수가 되기 때문에 열유동은 열 포텐셜의 차이와 비례하고, 열저항과 반비례하다고 정리할 수 있다.

따라서, 열저항이 높게 형성되는 경우에는 열유동이 반비례로 작아지게 되고, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 상부가 하부에 비해 열유동이 적게 일어날 수 있다.

<제2 실시예 >

이어서, 도 6 내지 도 8을 참조하여 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제2 실시예의 구성 및 효과에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

여기서, 도 6은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제2 실시예의 구성을 나타내는 도면이고, 도 7은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제2 실시예의 제1 변형예를 나타내는 도면이며, 도 8은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제2 실시예의 제2 변형예를 나타내는 도면이다.

먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프는 단열파이프부(400)를 포함할 수 있다.

단열파이프부(400)는 지열정의 내부로 삽입되는 구성으로, 지상으로부터 지열정의 하부까지 연장되는 길이와 지열정에 비하여 상대적으로 작은 직경의 파이프 형태로 형성될 수 있다.

또한, 지열정의 내부에 삽입될 때 지열정의 내측면과 이격되어 삽입되어 배치되어, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 외부가 열전달매체가 지열정의 내부로 주입되는 주입정이 되도록 구성될 수 있다.

그리고, 단열파이프부(400)는 열전달율이 낮은 단열소재로 형성되어, 단열파이프부(400)의 내부 및 외부 간에 발생하는 열교환 양을 낮추는 역할을 수행하는 구성일 수 있다.

또한, 파이프의 형태를 유지하고, 지반 내부의 압력 및 유동하는 열전달매체의 압력을 견딜 수 있는 충분한 강도로 형성되는 것이 유리할 수 있다.

이러한 단열파이프부(400)의 구성은 열전달율이 낮아 단열파이프부(400) 내부 및 외부 간의 열교환을 방지하고, 소정의 압력을 견딜 수 있는 강도를 가지도록 마련된다면, 그 소재 및 구성은 제한되지 않고 다양할 수 있다.

전술한 구성을 포함하는 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프는 지반에 형성된 지열정의 내부에 삽입되고, 지열정의 내부로 주입되는 열전달매체가 지열정을 따라 순환할 수 있는 유로를 형성할 수 있다.

본 실시예에서는 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 외측과 지열정의 내측면 사이에 열전달매체가 주입되고, 지열정의 하부에서 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 내부로 열전달매체가 유입되어 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 내부를 통하여 열전달매체를 지상으로 회수할 수 있다.

이러한 열전달매체의 유동을 위한 동력을 제공하기 위하여 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 내부 또는 지상에 별도의 펌프가 구비될 수도 있다.

즉, 지열정의 내부로 주입된 열전달매체는 지열정의 내측면을 통해 지열을 전달받아 가열되고, 가열된 열전달매체가 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 내부를 통해 회수될 수 있다.

이때, 전술한 모든 구성을 통하여, 생산정에서 열전달매체를 통해 회수되는 지열이 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프를 통해 주입정으로 수평이동하는 것을 방지하여 열손실을 최소화하는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 지열정의 상부에서 주입되는 열전달매체는 가열되어 회수되는 열전달매체에 비하여 상대적으로 온도가 낮기 때문에, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 외부와 내부의 온도차가 매우 커질 수 있다.

반면에, 지열정의 하부에서는 주입되는 열전달매체가 모두 가열된 상태로 회수되는 열전달매체의 온도와 유사하므로, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 외부와 내부의 온도차가 상대적으로 적을 수 있다.

따라서, 다음과 같은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제2 실시예의 변형예가 적용될 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제2 실시예의 제1 변형예는 단열파이프부(400)를 포함할 수 있다.

여기서, 단열파이프부(400)는 전술한 제2 실시예의 단열파이프부(400)의 구성과 기본적으로는 동일한 구성으로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

다만, 본 변형예에서 단열파이프부(400) 상부의 두께(L3-a)가 단열파이프부(400) 하부의 두께(L3-b)보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

즉, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프에 있어서, 상부로 갈수록 단열파이프부(400)의 두께가 두꺼워지며, 상부에 보다 두꺼운 단열층이 구비되는 구성일 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 내부 및 외부의 온도차가 상대적으로 높은 상부에서는 높은 단열 성능을 확보하고, 내부 및 외부의 온도차가 상대적으로 낮은 하부에서는 낮은 단열 성능을 확보할 수 있다.

이러한 단열파이프부(400)의 구성은 상부에서의 두께가 하부에 비해 상대적으로 두껍게 형성되도록 구성된다면 그 형태 및 구성은 제한되지 않고 다양할 수 있다.

본 변형예의 구성은 불필요한 단열 성능을 줄여 소요되는 단열재의 양을 줄여, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 제조 등에 소요되는 비용을 줄일 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 같은 양의 단열재를 사용하더라도 보다 효율적으로 단열성능을 집중시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

한편, 본 변형예의 구성에 따른 형태로 인하여 열전달매체가 지열정 내부를 유동하는 유로의 폭이 지열정의 하부로 갈수록 넓어지게 형성되는데, 이는 같은 압력으로 열전달매체가 유동할 때 유로의 폭이 넓어지면서 열전달매체의 유속이 느려질 수 있다.

따라서, 열전달매체가 지열정의 하부에서 지열을 회수하는 효율이 향상되는 효과를 얻을 수도 있다.

한편, 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프 제2 실시예의 제2 변형예는 단열파이프부(410, 420, 430)를 포함할 수 있다.

여기서, 단열파이프부(410, 420, 430)는 서로 다른 단열 성능을 가지는 복수개 종류의 단열소재로 형성될 수 있다.

즉, 높은 단열성능이 필요한 부분과 상대적으로 낮은 단열성능이 요구되는 부분에 서로 다른 단열소재를 적용하여 단열파이프부(410, 420, 430)를 구성할 수 있다.

이러한 서로 다른 단열 성능을 가지는 단열소재의 선택은, 단열소재의 가격, 시공의 용이성, 내구성 등을 종합적으로 판단하여 적합한 소재를 선택하는 것이 유리할 수 있다.

각 부위별 단열 성능은 전술한 제2 실시예의 제1 변형예에서와 마찬가지로 상부가 하부에 비하여 상대적으로 높은 단열성능을 갖도록 구성하는 것이 유리할 수 있다.

즉, 단열부 상부 단열파이프부(410)의 열전달율이 단열부 하부 단열파이프부(430)의 열전달율에 비하여 상대적으로 낮게 구성될 수 있다.

이러한 구성은 보다 효율적으로 단열성능을 집중시킬 수 있는 효과를 얻을 수 있으며, 단열파이프부(410, 420, 430)를 구성하는데 소요되는 비용을 절감할 수 있는 효과도 얻을 수 있다.

본 변형예에 따른 지열정 단열 파이프는 열전달율이 서로 상이한 단열소재로 형성된 복수개의 단열파이프부(410, 420, 430)를 선택적으로 길이방향으로 연결하여 구성할 수도 있다.

이러한 구성은 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 운반 및 설치 등의 편의성을 확보할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 복수개의 파이프를 연결하는 구성은 전술한 제2 실시예 및 제2 실시예의 제1 변형예에도 적용될 수 있다.

본 실시예의 전술한 구성을 통해, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프는 지열정 단열 파이프 상부의 열저항이 지열정 단열 파이프 하부의 열저항보다 상대적으로 크게 형성될 수 있다.

푸리에 법칙을 적용하여, 열전달율은 일종의 흐름이라 하고 열전도계수, 물질의 두께 및 단면적의 조합은 이 흐름에 대한 저항이라 하며, 온도는 열유동을 위한 구동함수가 되기 때문에 열유동은 열 포텐셜의 차이와 비례하고, 열저항과 반비례하다고 정리할 수 있다.

따라서, 열저항이 높게 형성되는 경우에는 열유동이 반비례로 작아지게 되고, 본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 상부가 하부에 비해 열유동이 적게 일어날 수 있다.

본 발명에 따른 지열정 단열 파이프의 모든 실시예에서 기재한 구성을 통하여 지열정의 내부에 열전달매체를 순환시켜 지열을 회수하는 시스템의 효율을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.

또한, 이상 설명한 바와 같이 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만, 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

100 : 외관부
200 : 내관부
300 : 단열부
400 : 단열파이프부

Claims (12)

1. 단일의 지열정의 내부에 삽입하여 상기 지열정을 따라 열전달매체가 유동하도록 형성되는 파이프에 있어서,
   지상으로부터 상기 지열정의 하부까지 연장되고 상기 지열정에 비하여 상대적으로 작은 직경으로 형성되며, 상기 지열정의 내측면과 이격되어 상기 지열정의 중앙부에 배치되어, 외측면과 상기 지열정의 내측면 사이에 공간이 형성되는 외관부;
   상기 외관부의 길이와 대응되는 길이와 상기 외관부에 비하여 상대적으로 작은 직경으로 형성되고, 상기 외관부의 내측면과 이격되어 상기 외관부의 중앙부에 배치되어, 외측면과 상기 외관부의 내측면 사이에 공간이 형성되고, 내측면에는 빈 공간이 형성되는 내관부; 및
   적어도 하나 이상의 단열소재가 상기 외관부의 내측면 및 상기 내관부의 외측면 사이의 공간에 구비되어 형성되는 단열부;
   를 포함하며,
   상기 외관부 상부의 직경이 상기 외관부 하부의 직경보다 상대적으로 크게 형성되어, 상기 외관부의 외측부를 통해 상기 지열정의 내부로 주입되는 상기 열전달매체가 상기 지열정의 하부로 갈수록 유속이 느려지는 지열정 단열 파이프.
2. 제1항에 있어서,
   상기 지열정 단열 파이프는,
   상기 지열정 단열 파이프 상부의 열저항이 상기 지열정 단열 파이프 하부의 열저항보다 상대적으로 크게 형성되는 지열정 단열 파이프.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 내관부는,
   상기 내관부 상부의 직경이 상기 내관부 하부의 직경보다 상대적으로 작게 형성되는 지열정 단열 파이프.
5. 제1항에 있어서,
   상기 단열부는,
   상기 단열부 상부의 두께가 상기 단열부 하부의 두께보다 상대적으로 크게 형성되는 지열정 단열 파이프.
6. 제1항에 있어서,
   상기 단열부는,
   상기 단열부 상부 단열소재의 열전달율이 상기 단열부 하부 단열소재의 열전달율에 비하여 상대적으로 낮은 지열정 단열 파이프.
7. 제6항에 있어서,
   상기 단열부의 열전달율이 서로 상이하게 형성되는 복수개의 파이프가 길이방향으로 연결되는 지열정 단열 파이프.
8. 제1항에 있어서,
   상기 지열정의 내부로 삽입되는 상기 파이프의 하단부에는 상기 단열부가 구비되지 않는 지열정 단열 파이프.
9. 단일의 지열정의 내부에 삽입하여 상기 지열정을 따라 열전달매체가 유동하도록 형성되는 파이프에 있어서,
   지상으로부터 상기 지열정의 하부까지 연장되고 상기 지열정에 비하여 상대적으로 작은 직경으로 형성되고, 상기 지열정의 내측면과 이격되어 상기 지열정의 중앙부에 배치되어, 외측면과 상기 지열정의 내측면 사이에 공간히 형성되고, 내측면에는 빈 공간이 형성되며, 단열소재로 형성되는 단열파이프부;
   를 포함하며,
   상기 단열파이프부의 외측면 상부의 직경이 상기 단열파이프부의 외측면 하부의 직경보다 상대적으로 크게 형성되어, 상기 단열파이프부의 외측부를 통해 상기 지열정의 내부로 주입되는 상기 열전달매체가 상기 지열정의 하부로 갈수록 유속이 느려지는 지열정 단열 파이프.
10. 제9항에 있어서,
    상기 단열파이프부는,
    상기 단열파이프부 상부의 두께가 상기 단열파이프부 하부의 두께보다 상대적으로 크게 형성되는 지열정 단열 파이프.
11. 제9항에 있어서,
    상기 단열파이프부는,
    상기 단열파이프부 상부의 열전달율이 상기 단열파이프부 하부의 열전달율에 비하여 상대적으로 낮은 지열정 단열 파이프.
12. 제11항에 있어서,
    서로 상이한 열전달율을 가지는 복수개의 상기 단열파이프부가 길이방향으로 연결되어 형성되는 지열정 단열 파이프.

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