KR101896092B1

KR101896092B1 - 수증기 순환식 개방형 지열 시스템

Info

Publication number: KR101896092B1
Application number: KR1020170153640A
Authority: KR
Inventors: 이현수
Original assignee: (주)중원엔지니어링
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2017-11-17
Publication date: 2018-09-06

Abstract

본 발명에 따른 수증기 순환식 개방형 지열 시스템은, 지중에 일정 깊이로 수직 삽관되어 하단부 영역에 물이 유입되는 양수공간을 형성하는 관정 케이싱; 상기 관정 케이싱 내부에 구비되는 것으로서, 지상으로부터 상기 양수공간으로 물을 공급하는 급수관; 상기 양수공간으로 공급된 물이 지열에 의해 기화되면서 발생한 수증기를 지상으로 이동시키는 취출관; 물을 데워 수증기를 발생하는 증기 발생부와, 상기 증기 발생부로부터 상기 양수공간으로 연장되어 상기 양수공간에 공급된 물에 상기 증기 발생부에서 발생된 수증기를 분사하여 물의 기화를 촉진하는 증기 투입관을 포함하는 증기 처리장치; 및, 지상에 구비되는 것으로서, 용수를 공급받아 상기 취출관을 통해 취출된 수증기와 열 교환을 진행하여 가열된 상기 용수를 저장하는 축열장치; 상기 축열장치에서 열 교환된 수증기가 액화된 물을 상기 급수관으로 이송하는 순환관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

수증기 순환식 개방형 지열 시스템{Open Circulation Type Geothermal System for Urban Use}

본 발명은 건축물 밀집 지역이나 도심 등 지하수가 거의 존재하지 않는 지역에 설치 가능한 개방형 지열 시스템으로서, 건축물이나 가정에서 발생된 하수를 정화하여 급수관을 통해 관정 케이싱에 공급하고, 추가로 증기를 관정 케이싱 내부로 투입하여 지하수가 부족한 지역에서도 지열과 증기를 통해 충분한 열의 발생이 가능토록 하여 발전 및 온열발생수단으로 활용 가능한 개방형 지열 시스템에 관한 것이다.

지열이란 지하수를 굴착하여 양수되는 지하수가 갖고 있는 고유열과 지중의 열을 통칭하는 것으로서 일반적으로 지표하부를 수백미터 내지 수 킬로미터의 깊은 깊이로 굴착한 후 이곳에 열 교환을 위한 파이프를 묻거나 일반 지하수를 사용하여 지하수 심정시설과 동일하게 지하수 심정펌프와 양수파이프를 설치하여 지하수를 양수한 후 지하수가 갖고 있는 열을 히트펌프를 사용하여 열을 이용한 후 열 교환된 지하수를 환수관을 이용하여 다시금 지하수 심정 내부에 환수시키는 열 교환 시스템을 이용하여 사용하고 있다.

태양열의 약 47%정도가 지표면을 통해 지하에 저장되게 되는데, 지표면과 가까운(50m내외) 땅 속의 온도는 10~20도 정도로 연중 큰 변화가 없으나, 1km정도 내려갔을 때의 온도는 60~150도 정도를 유지한다. 따라서 이러한 온도를 갖고 있는 지하수를 양수하여 히트펌프를 사용하여 열을 이용하게 되는 경우 지하수 심정 펌프의 양수량이 시간당 1000리터에 이르고 지표와 온도차가 4℃인 경우 시간당 4000킬로칼로리에 이르는 열량 확보가 가능하므로, 지열을 활용하는 것이 가능해지는 것이다.

여기서 일반적으로 활용되는 밀폐형의 경우 지하 50~200m정도의 깊이로 관정 케이싱을 형성하여 활용되나 개방형 방식 혹은 준개방형 방식의 경우, 얕게는 500m 에서 수 km까지 관정 케이싱을 형성하는 것이 일반적이다. 다만 이러한 개방형 지열 시스템은 지하를 거의 건드리지 않은 시골이나 외지와 같은 경우 지하수, 특히 수질이 기계장치에서 계속 순환시키는데에 적합한 지하수가 존재하는 확률이 높지만, 도심에서 특히 건물 주변에는 지하수가 존재할 확률도 거의 없고, 또 지하수가 존재하더라도 오염물질에 의해 오염되어 관이나 펌프장치를 통해 계속적으로 순환 활용되는 기계장치의 내부에 이러한 지하수가 유입되기에 적합하지 않은 경우가 많다는 점이다. 따라서 이러한 지열 시스템은 건축물 건축 이전에 미리 설치공간을 계획하고 부지를 매입하여 시설을 설치하여야 하므로 도심에서는 잘 사용되지 않고, 농촌에서 하우스 재배지나 별장과 같은 시설에 적용하는 것이 대부분이었다.

이러한 지열 시스템의 예로는 대한민국 등록특허 제 10-0969557호 ‘지하수 유출 제어를 통한 지중열 교환 시스템’이 개시되어 있으며, 이의 구성은 지하에 형성되어 대수층의 물이 저장되는 하나 또는 다수의 시추공(1)과; 상기 시추공 내에 설치되어 지열열펌프로 공급될 열 교환용 지하수를 저장하고 있는 저장관(2)과; 상기 각 저장관의 지하수를 배출하는, 압력식 수위계(31)가 부착된 심정펌프(3)와; 열 교환용 지하수를 공급받아 열 교환하는 지열열펌프(7)와; 시추공(1)으로 환수되는 환수관(9) 일 지점에 형성되어 개폐에 따라 지하수를 유출하는 유출밸브(10)와; 시추공(1)으로 환수되는 지하수를 개폐하는 환수밸브(12)와; 상기 심정펌프(3)과 지열열펌프(7)의 작동 및 유출밸브(10) 및 환수밸브(12)를 개폐토록 회로연결되어, 냉난방 부하시 시추공 내 지하수 온도가 기준온도 이상이면 지하수를 일정량 유출시켜 시추공내로 외부지하수가 유입되도록 하여 기준온도를 유지토록 제어하는 제어부(13); 를 포함하는 것으로 외부 지하수를 활용할 수 있겠으나, 이 때 활용되는 외부지하수도 결국에는 굴착을 통해 연결시켜야 하므로 여전히 제작에 불편함이 존재한다.

나아가 이러한 선행기술 이외에도 다른 선행기술로서 대한민국 등록특허 제 10-1708489호 ‘순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템’이 개시되어 있으며, 이의 구성은 순환유로가 구비된 펌프하우징을 포함하는 개방형 지열 시스템은, 지중에 굴착되는 관정 케이싱(1)과; 지하수와 열 교환하는 열 교환기(3)와; 상기 관정 케이싱의 내부에 삽입 설치되며 상기 관정 케이싱을 급수공간과 환수공간을 구획하되 수중펌프 설치구간까지 설치되는 급수관(5)과; 상기 열 교환기에 연결되며 상기 열 교환기를 통과한 지하수를 환수하는 환수관(6)과; 상기 급수관의 하단부에 설치되며 지하수를 펌핑하는 수중펌프(8)와; 상기 수중펌프의 둘레부에 형성되는 펌프하우징을 구성하되 펌프하우징은 수직방향으로 환수구역과 흡입구역으로 구분한 요철 형태로 되어 순환유로를 구성한 펌프하우징(20)을 형성하며; 상기 순환유로를 구성한 펌프하우징에 분리 가능하게 연결되어 지하수를 상기 순환유로를 구성한 펌프하우징 내부로 유도하는 흡입관(40)을 포함하는 것으로, 관정 케이싱의 구경이 일반적인 경우보다 줄어들 수는 있겠지만, 여전히 도심지역의 경우라면 깊은 깊이로 굴착되어야만 지하수를 공급받을 수 있어 활용이 가능하여 따라서 도심 등의 활용이 비교적 어렵다는 단점을 갖고 있다.

본 발명은 상기 기술의 문제점을 극복하기 위해 안출된 것으로, 개방형 지열 시스템에 있어서 지하수가 충분하지 않은 경우에도 지열 시스템을 활용할 수 있는 구성을 제공한다.

추가로, 지열 시스템을 구성함에 있어 수증기의 취출을 용이하게 제어할 수 있는 구성을 제공한다.

추가로, 축열장치를 통해 열을 교환할 때에 축열장치에 구비된 용수조가 온도 변화에 따라 부피가 변화하더라도 이를 버틸 수 있는 구성을 제공한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 수증기 순환식 개방형 지열 시스템은, 지중에 일정 깊이로 수직 삽관되어 하단부 영역에 물이 유입되는 양수공간을 형성하는 관정 케이싱; 상기 관정 케이싱 내부에 구비되는 것으로서, 지상으로부터 상기 양수공간으로 물을 공급하는 급수관; 상기 양수공간으로 공급된 물이 지열에 의해 기화되면서 발생한 수증기를 지상으로 이동시키는 취출관; 물을 데워 수증기를 발생하는 증기 발생부와, 상기 증기 발생부로부터 상기 양수공간으로 연장되어 상기 양수공간에 공급된 물에 상기 증기 발생부에서 발생된 수증기를 분사하여 물의 기화를 촉진하는 증기 투입관을 포함하는 증기 처리장치; 및, 지상에 구비되는 것으로서, 용수를 공급받아 상기 취출관을 통해 취출된 수증기와 열 교환을 진행하여 가열된 상기 용수를 저장하는 축열장치; 상기 축열장치에서 열 교환된 수증기가 액화된 물을 상기 급수관으로 이송하는 순환관;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

나아가, 상기 순환식 개방형 지열 시스템은, 생활하수가 저장되는 하수조와, 상기 생활하수를 정화하여 정화수를 생성하는 정화부 및, 상기 정화수를 상기 급수관으로 공급하는 가압펌프를 구비한 정화 급수모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

더하여, 상기 순환식 개방형 지열 시스템은, 증기 유통공이 형성된 상태로 상기 취출관의 양수공간 측 내주면에 장착되는 받침판이 더 포함되는 것을 특징으로 한다.

덧붙여, 상기 순환식 개방형 지열 시스템은, 상기 취출관에서 상기 받침판의 상측 영역에 장착되어 수증기를 지상방향으로 펌핑 처리하는 압출펌프와, 상기 받침판의 표면에서 상기 증기 유통공의 둘레영역을 따라 방사형으로 복수개가 경사지게 연장된 복수개의 블레이드를 더 구비하며, 상기 취출관은, 상기 받침판과 접하는 내주면 둘레를 따라 함입 형성된 받침레일을 더 구비하여, 상기 압출펌프에 의해 펌핑된 수증기가 상기 취출관으로 유입되면서 상기 블레이드에 압력을 가해 상기 받침판이 상기 받침레일을 따라 회전되면서 수증기의 유입속도를 증가시키는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 수증기 순환식 개방형 지열 시스템은,

1) 개방형 지열 시스템에 있어서 지하수가 충분하지 않은 경우에도 물과 증기를 지중에 투입하여 수증기를 활용하는 방식으로 지열 시스템을 활용할 수 있도록 하고,

2) 수증기의 취출 시 취출속도나 양을 제어할 수 있도록 취출관에 압출펌프 및 증기를 흡입하기 용이한 구성을 더 갖추어 해당 구성을 통해 수증기를 용이하게 취출 할 수 있는 구성을 제공하며,

3) 나아가, 축열장치를 통해 열을 교환할 때에 축열장치에 구비된 용수조가 온도 변화에 따라 부피가 변화하더라도 이를 버틸 수 있는 구조 및 구성을 제공한다.

도 1은 공지의 개방형 지열 시스템의 기본구성을 도시한 사시도.
도 2는 본 발명의 수증기 순환식 개방형 지열 시스템의 기본 구성을 도시한 개념도.
도 3은 본 발명의 지열 시스템에서 취출관의 일 실시예를 도시한 개념도.
도 4는 본 발명의 축열장치의 일 실시예를 도시한 투시 사시도.
도 5는 본 발명의 용수조의 일 실시예를 도시한 개념도.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하도록 한다. 첨부된 도면은 축척에 의하여 도시되지 않았으며, 각 도면의 동일한 참조 번호는 동일한 구성 요소를 지칭한다.

도 1은 공지의 개방형 지열 시스템의 기본구성을 도시한 사시도이고, 도 2는 본 발명의 수증기 순환식 개방형 지열 시스템의 기본 구성을 도시한 개념도이다.

본 발명의 개방형 지열 시스템은 지표를 일정한 너비와 깊이로 뚫어 형성한 관정 케이싱(10)에 삽입되는 것이되, 여기서 관정 케이싱(10)은 지중에 일정 깊이로 수직하게 파 내려간 지열공에 삽관되는 것이며 하단부 영역에 물이 유입되는 양수공간을 구비한 것으로서, 물을 관정 케이싱(10)의 내부에 위치한 양수공간으로 공급하는 급수관(20)과, 양수공간에 수증기를 공급하는 증기 처리장치(50) 및 양수공간에 투입된 물이 지열에 의해 가열되어 기화된 수증기를 퍼 올리는 취출관(30)과, 이 취출관(30)을 통해 취출된 수증기로 용수(생활용수, 공업용수, 농업용수 등 활용 가능한 물)를 가열시켜 온수를 생성하고, 이를 보관하는 축열장치(40) 및 축열장치(40)에서 열 교환과정이 종료된 수증기로서 액화된 물을 다시 증기 처리장치(50)의 증기 발생부(51)로 이송시키는 순환관(21)의 구성을 갖게 된다.

증기 처리장치(50)는 물을 가열하여 수증기를 발생시키는 증기 발생부(51)와, 발생된 수증기를 관정 케이싱(10)의 내부에 위치한 양수공간으로 공급하는 증기 투입관(52)의 구성을 포함한다. 여기서 지열공은 지표로부터 지중을 향해 홈을 파 내려간 것을 의미하며, 그 깊이는 수백m에서 수km 사이의 깊이를 가질 수 있다. 또한 지열공의 형상을 보존하기 위해 별도로 내부에 관정 케이싱(10)을 삽입하는 것이 일반적이며, 따라서 상기한 구성들은 대부분 이 관정 케이싱(10) 내부로 투입되어 활용되는 구성이라고 이해할 수 있다.

일반적인 개방형 지열 시스템은 관정 케이싱(10) 내부 구성을 두 종류 구비하여 하나는 가열된 지하수의 유입을 담당하고, 나머지는 사용되어 열을 잃은 지하수를 다시 지하로 배출하도록 구성하거나 혹은 한 종류의 관정 케이싱(10) 내부에 가열된 지하수의 유입을 담당하는 관과 사용되어 열을 잃은 지하수를 다시 지하로 배출하는 관이 동시에 투입되되 각각의 관이 높이차를 가져 별도로 동작할 수 있도록 구성되는 구조를 갖는다.

다만, 이러한 개방형 타입의 문제는 앞선 배경기술에서도 계속해서 언급한 바와 같이 지하수가 위치하는 영역에서 지열공을 형성하여 가열된 지하수를 퍼올리는 방식을 활용하게 되는데, 지질암반층이 존재하지 않거나 혹은 도심과 같이 건물을 건설하면서 이미 지하의 정비가 어느 정도 진행되어 쉽게 지하수를 발견할 수 없는 경우, 또는 지하수가 존재하더라도 광물성분이나 오염물질이 과도하게 함유되어 기계장비에 영향을 미칠 수 있어 활용할 수 없는 경우가 존재한다. 이러한 경우에는 지하수를 직접 퍼올려 활용하지 않거나 혹은 발전에 충분하지는 않은 정도의 약간의 지하수라도 활용하되, 이를 보조할 수 있는 구성들이 더 필요함은 물론이다.

또한 도심의 경우, 보통 건물의 지하층 저부에서 더 깊숙한 깊이로 땅을 파 활용하는 경우가 많고, 건물의 하부에 형성되는 것이 아니라면 깊은 깊이의 지하에서 지하수가 위치하는 곳 까지 지열공을 뚫어 활용하는 경우가 많다. 이러한 깊이는 특히 화산암반지대를 갖는 지역의 경우라면 쉽게 100도씨 이상의 온도를 갖출 수 있으며, 그렇지 않더라도 약 60도씨 이상의 온도를 갖게 된다. 이러한 온도적 특징은 어느 지표를 뚫어 지열공을 형성하더라도 동일하게 적용되나, 문제는 지하수이다.

수맥을 측정하면 지하수의 위치를 파악할 수 있는데, 도심지역의 경우 지하수가 없거나 그 매장량이 적을 확률도 높을뿐더러 지표 오염에 의해 지하수도 오염되어 기계사용에 영향을 미치는 경우도 배제할 수 없다. 따라서, 지하수가 거의 존재하지 않거나 혹은 지하수가 소량만 존재하는 경우에도 이러한 개방형 타입을 활용할 수 있는 구성이 추가로 구비되어야 도심에서도 개방형 타입을 활용할 수 있다고 하겠다.

본 발명에서의 개방형 지열 시스템의 구성은, 앞선 두 가지 방식에 모두 활용 가능한 것으로서, 특히 두 가지 타입을 활용하는 첫 번째 방식에서는 물이 유입되는 측에도 적용이 가능한 구조에 적용이 가능하다고 하겠다. 즉, 이러한 구성은 다시 말해 지하수가 없거나 부족한 경우에도 활용이 가능한 구성을 갖추는 방법에 관한 것이다. 쉽게 본 기술의 기술적 의의에 대해 다시 한 번 살펴보면, 바로 지하수가 위치하여야할 지하의 공간에 강제로 물을 일정 깊이로 주입한 후 수증기를 흘려보내 지열을 통한 기화반응을 촉진시켜 수증기를 통한 활용이 가능한 것이라 할 수 있다. 보다 상세한 구성들에 대해서는 후술하는 구조를 설명하면서 더욱 상세하게 안내토록 하며, 다시 관정 케이싱(10) 내부의 남은 구성을 설명하면 다음과 같다.

먼저, 물이 수증기로 기화되는 온도는 80도씨 내외의 온도로 알려져 있다. 다만 여기에 추가적으로 기화가 잘 되도록 촉매가 더 포함된다면 이 온도를 더 낮출 수도 있음은 물론이다. 또한 지열을 활용하는 것은 꼭 지하수 자체를 퍼올려 생활용수와 열 교환시키지 않더라도 이러한 수증기를 유통시켜 생활용수와 열 교환시키는 방법으로도 동일한 효과를 낼 수 있음은 물론이다.

또한 지하의 온도는 항상 유지되고 있으며, 일반적으로 이러한 지하수를 퍼올리는 방식의 펌프의 경우 내부에 공기나 수증기가 차는 것이 문제가 되어 별도의 단열모듈(미도시)을 더 둠으로써 이를 제대로 활용하지 못하고 배출시키는 데에만 포커스를 두고 있다. 따라서 기존의 방식은 필요로 하는 열이 많을수록 지하수의 소비가 빨라 지하수가 쉽게 오염되거나 효율이 떨어지는 등의 문제를 가지고 있었다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법이 바로, 물을 100% 순환시켜 활용하는 방법이 아닌, 이물질을 포함하는 물은 자동으로 지하로 흡수되되, 나머지 깨끗한 물을 지열에 의해 가열시켜 발생된 수증기를 활용하는 방법이라 할 수 있다.

가장 먼저, 급수관(20)을 통해 물이 관정 케이싱(10) 내부로 유입되도록 구성할 수 있다. 급수관(20)의 경우 되도록 관정 케이싱(10)의 바닥면에 가까운 위치에서 물을 제공할 수 있도록 구성해야 지열의 영향을 최대로 받으면서도 수증기에 영향을 미치지 않을 수 있음은 물론이다. 나아가 이렇게 지열에 의해 데워져 발생되는 수증기를 포집하여 축열장치(40)로 보낼 수 있도록 관정 케이싱(10)의 바닥면으로부터 높이방향으로 이격된 위치에 취출관(30)을 위치시킨다. 이 취출관(30)은 수증기가 자연스럽게 열에 의해 상부로 올라가려는 성질을 활용하여도 되겠지만, 항시 일정한 수준의 열 발생만을 필요로 하는 것은 아니므로 축열장치(40)로 이동시킬 수증기 양을 많게 혹은 적게 제어하는 증기 흡입 관련 구성이 더 구비될 수 있음은 물론이다.

여기서 관정 케이싱(10)의 바닥면 온도가 항시 80도씨 이상인 경우에는 계속해서 수증기가 발생되는 데에 문제가 없으나, 80도씨보다 낮은 온도를 유지하는 경우에는 이러한 증기 발생이 용이하지 않을 수도 있다. 따라서, 수증기가 용이하게 발생할 수 있도록 일종의 반응 매개체를 투입하는 것이 좋은데, 이러한 역할을 할 수 있는 것은 바로 수증기이다. 즉, 다른 곳에서 가열되어 발생한 수증기는 물에서 수증기로 기화되기 위해 일정 수준의 열을 구비하고 있으며, 따라서 이 수증기가 물의 표면에 닿게 되면 물에 열을 가할 수 있을뿐더러 상이 다른 물질이 접해있기 때문에 그만큼 상변화가 더욱 빠르게 발생될 수 있어 기화를 촉진시킬 수 있게 된다.

이 때 촉매가 되는 수증기의 경우 많은 양이 투입되지 않고 기화반응을 이끌어 낼 수 있을 정도만 수증기가 투입되는 것이며, 따라서 어느 정도 반응이 안정화되면 수증기를 생성하여 투입하는 것을 멈출 수 있도록 증기 발생부(51)에는 체크밸브(미도시)를 추가로 적용할 수 있다. 나아가 축열장치(40)에서 열교환이 완료된 수증기(혹은 다시 물로 환원되었을 수도 있다.)를 다시 급수관(20)으로 이송하는 순환관(21)의 구성이 더 포함될 수 있다. 이러한 순환관(21) 구성은 추가적인 물이 더 공급되지 않더라도 중간 손실량이 일정 수준에 달하기 전 까지는 수증기를 활용한 순환식 지열 활용이 가능한 것이다.

나아가, 앞선 구성에서 급수관(20)을 통해 지상의 물을 관정 케이싱(10) 내부로 유입시킬 수 있다고 하였는데, 이러한 물공급은 관정 케이싱(10) 내부에만 물을 채우도록 구성될 수도 있지만, 원래 지하수가 구비되어야 하는 지하공간에도 이 물을 일정 량 투입하는 것이 가능하며(개방형 지열 시스템이기 때문이다.) 여기서 급수관(20)은 바람직하게는 생활하수를 저장한 하수조(61)와 이 하수조(61)에 저장된 생활하수를 정화하여 정화수를 생성하는 필터나 약품처리 등이 가능한 정화부(62)를 구비한 급수모듈(60)을 통해 물을 공급받을 수도 있다.

또한 정화수를 급수관(20)을 통해 지중으로 공급하기 위해서는 일정한 압력을 가할 수 있는 가압펌프(63)를 더 구비해야 할 것이며, 가압펌프(63) 자체로도 유량이나 유속 조절이 가능하지만, 추가로 체크밸브(미도시) 등의 구성을 더 구비하여 가압펌프(63)와 함께 제어하는 구성도 가능함은 물론이다.

도 3은 본 발명의 지열 시스템에서 취출관의 일 실시예를 도시한 개념도이다.

나아가 취출관(30)에 장착되는 것으로서, 수증기의 취출을 제어할 수 있는 증기 흡입 구성을 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저 취출관(30)에는 수증기를 빨아들이는 압출펌프(501)의 구성이 구비될 수 있다. 이 압출펌프(501)의 경우 취출관(30)의 내부 일 측이나 단부 혹은 취출관(30)을 통해 압력을 가해 수증기를 빨아들일 수 있다면 취출관(30)에서 어느 영역이든지 장착 가능한 것이다. 나아가 이러한 압출펌프(501)의 구성이 구비되면, 취출관(30)이 용이하게 수증기 흡수를 용이하게 진행할 수 있도록 구성된 증기 흡입 구성을 더 포함할 수 있다.

이러한 구성은 압출펌프(501)를 통해 수증기를 빨아들일 때에 이 수증기의 빨아들이는 속도 및 양을 조절하기 위한 구성으로서, 단순히 수증기의 흡수를 진행하는 것 보다는 별도의 회전구성을 갖추어 수증기를 더욱 빠르게 흡수하도록 구성하는 것이다.

이를 위해, 취출관(30)에서 양수공간을 향한 단부의 내주면에는 슬롯을 형성한 일종의 슬라이드 방식의 끼움부인 받침레일(301)이 구비될 수 있으며, 이 받침레일(301)에 장착되어 회전 가능한 것으로서, 받침판(502)을 더 구비할 수 있다. 이 받침판(502)은 바람직하게는 원형의 패널 형상으로 구비되고 그 두께는 받침레일(301)에 충분히 거치가 가능하면서 동시에 회전이 가능하도록 형성되는 것이 좋다. 나아가, 받침판(502)의 중앙부위에는 일정한 직경으로 관통되어 수증기가 유통되는 증기 유통공(505)이 형성된다.

여기서 도면에 나타난 것과 같이, 증기 유통공(505)의 둘레를 따라 양수공간을 향해 연장 형성된 것으로서 원통형상의 흡기 파이프(503)가 선택적으로 더 구비될 수 있으되 흡기 파이프(503)의 표면에는 관통 형성된 복수개의 흡기공(504)을 더 구비함으로서 이 흡기공(504)을 통해 증기가 흡기 파이프(503)의 내부로 유입되어 취출관(30)을 향해 이동할 수 있도록 한다. 나아가 흡기 파이프(503)에서 취출관(30)의 외측으로 돌출된 단부에서 개방된 입구부위에는 이 입구부위를 가릴 수 있는 캡이 장착될 수 있다. 여기서 바람직하게는 캡의 직경이 받침판(502)의 직경보다는 작고, 입구부위의 직경보다는 크도록 하는 것이 좋은데 이는 관정 케이싱(10)에서 물이 깔려있는 바닥면과 일정 간격 이격되어 위치하고 있더라도 물에 바람이 일어 파도가 치게 되면서 수위가 변동하여 물이 내부로 유입되는 것을 방지하기 위한 구성이다.

여기서 잠깐 수증기를 활용하고 물이 유입되는 것을 방지하는 이유에 대해 설명하면 다음과 같다.

개방형 지열 시스템의 특성 상 물을 매개로 지열 시스템을 구동시키려면 유입과 배출을 반복하기 위해 엄청난 양의 물이 필요하다. 또한 시스템 구동에 따라 물이 오염되므로 지하수의 양이 충분하지 않다면 지열 시스템을 장기간 활용하는 것이 매우 어렵다. 그러나 수증기를 활용한다면 물과 수증기의 부피차이는 약 1600 내지 1700배정도로 물보다 수증기의 부피가 커지는데, 실질적으로 지하수가 모자라거나 지하수가 없는 상황에서 이러한 개방형 지열 시스템을 구동하기에 수증기가 적합한 이유가 될 수 있다고 할 수 있다.

즉, 다시 전체적인 구조를 설명하면 취출관(30)의 단부에 받침판(502)이 장착되는 것이되, 관정 케이싱(10)에 투입된 수면보다 높은 위치에 위치함으로서 실질적으로 물에서 발생된 수증기만을 활용토록 하는 구성을 갖추게 하는 것이다.

따라서 이러한 수증기를 제대로 활용하려면 수증기를 포집할 수 있는 구조를 갖춘 상기한 구성들이 필수적이며, 이에 따라 받침판(502)과 같은 흡기구성의 역할이 매우 크다고 할 수 있는 것이다. 따라서 이러한 기능 보조를 위해 개선될 수 있는 구성을 살펴보면 다음과 같다.

먼저, 받침판(502)은 중앙부에 구멍이 형성된 일종의 CD나 도넛과 같은 형상을 갖는데, 이 자체로는 그저 취출관(30) 내부에 끼워져 고정되기 위해 취출관(30)의 내부와 동일한 형상으로 이루어진 것이라고 할 수 있다. 나아가 받침판(502)에서 양수공간을 향한 표면에는 받침판(502)의 표면과 수직한 방향으로 기립 형성되되 일정 간격마다 장착된 복수개의 블레이드(506)가 더 포함될 수 있다. 다만, 블레이드(506)의 장착 방향은 바람직하게는 서로 다른 각도로 장착되는 것이 좋은데 이는 받침판(502)의 중앙부위를 연결하는 가상의 선을 기준으로 약간 더 비스듬한 각도로 연결되어 일종의 물레방아와 같이 펌프가 공기를 빨아들임에 따라 받침판(502)을 회전시키는 역할을 하게 된다. 이러한 회전은 주변의 수증기들을 섞는 역할을 할 뿐만 아니라 압출펌프(501)의 출력에 따라 회전속도가 달라지기 때문에 압출펌프(501)의 수증기를 빨아들이는 역할을 보조할 수 있는 구성을 갖춘 것이라 할 수 있겠다.

또한 흡기 파이프(503)의 측면에도 복수개의 흡기공(504)이 형성되어 있어 이 블레이드(506) 사이로 유입된 수증기를 흡기 파이프(503)를 통해 취출관(30) 내부로 유입시킬 수 있게 된다. 따라서 앞선 구조에서 설명한 받침레일(301)에 이 받침판(502)이 회전 가능하게 장착되되, 실질적으로 회전력이 발생하는 부위는 수증기와 마찰을 일으키는 블레이드(506) 부위라고 할 수 있다.

다만, 블레이드(506)의 회전에도 흡기 파이프(503)의 흡기공(504)을 통해 유입되는 수증기의 양이 부족하다고 판단되는 경우가 발생할 수도 있다. 이 경우에는 추가적인 수증기의 흡기를 위하여 받침판(502)에 힌지(510)를 매개로 상하로 회동가능하게 연결되어 받침판(502)의 일부를 개폐하는 받침도어(509)의 구성을 더 추가할 수 있다. 이러한 받침도어(509)는 받침판(502)의 회전속도에 따라 힘을 받는 정도가 달라져 개폐여부가 달라지게 되는데, 회전 이전에는 중력에 의해 개방되어 있겠으나 회전이 시작하면 원심력에 의해 다시 닫혀있다가 회전속도가 어느정도 빨라지면 압력에 의해 개방되면서 유량을 증가시킬 수 있게 되는 구성이다. 따라서 이 받침판(502)을 회전시키는 속도에 따라 이러한 받침도어(509)의 개방여부나 흡기 속도, 흡기량이 달라지기 때문에 필요에 따라 압출펌프(501)의 출력을 제어하는 것으로 상당한 폭의 효과를 기대할 수 있음은 물론이다.

또한 흡기 파이프(503)의 양수공간 측 단부에는 취출관(30)의 외측으로 돌출 형성된 원뿔형상의 흡입부 캡(507)을 더 구비할 수 있는데 이러한 흡입부 캡(507)은 물이 튀어 흡기 파이프(503)나 취출관(30)의 내부로 들어가는 것을 방지할 수 있을 뿐만 아니라, 그 형상이 원뿔 형상이므로 물이 튀어 외주면에 묻더라도 쉽게 다시 관정 케이싱(10)의 내부로 물을 떨어뜨릴 수 있는 구조를 갖게 된다. 다만, 이러한 튐에 의해 발생되는 물을 제외하더라도 수증기가 캡의 외주면에 닿아 순간적으로 열을 잃으면서 물방울이 되는 경우도 배제할 수 없는데 따라서 이러한 물방울들을 쉽게 털어버리되 좌우로 튀겨나가지 않고 관정 케이싱(10)의 바닥면을 향해 떨어뜨리려면 흡입부 캡(507)의 외주면에 일정 간격마다 형성된 스크류 돌기(508)가 더 형성되어야 할 것이다. 즉, 측면의 호를 따라 꼭짓점을 향해 나선형으로 돌출 연장된 스크류 돌기(508)가 외주면을 따라 일정 간격마다 형성된다면 스크류 돌기(508)와 스크류 돌기(508) 사이의 공간을 따라 물방울이 용이하게 이동할 수 있을 것이고 더욱이 이러한 형상에 의해 받침판(502)이 회전될 때에 스크류 돌기(508) 또한 약하지만 팬과 같은 역할을 하여 수증기의 흡기를 보조할 수도 있음은 물론이다.

또한 여기서 흡입부 캡(507)에서 원뿔형상의 하부면이자 흡기 파이프(503)의 단부에 장착되는 원형의 면은, 흡기 파이프(503)의 직경보다 크고 취출관(30)의 직경보다 작은 직경으로 형성되는 것이 물의 튐을 방지하면서 수증기를 용이하게 흡수할 수 있는 구조를 갖출 수 있는 것이라 하겠다.

이러한 관정 케이싱(10) 내부 구성을 갖추게 되면, 이제 이 관정 케이싱(10)으로부터 토출된 수증기를 이용하는 관정 케이싱(10) 외부 구성인 축열장치(40)에 대하여 살펴보도록 한다.

도 4는 본 발명의 축열장치의 일 실시예를 도시한 투시 사시도이고, 도 5는 본 발명의 용수조의 일 실시예를 도시한 개념도이다.

먼저, 축열장치(40)는 크게 열 교환기와 축열탱크로 구성될 수 있다. 열 교환기는 일종의 변압기와 유사한 형상을 가져, 취출관(30)에서 취출된 수증기가 흐르는 부위와 용수가 흐르는 부위로 나뉘어 구성되되, 이 두 부위를 가까이 두어 수증기의 열을 용수로 전달시켜 용수를 데우는, 다시 말해 열 교환을 통해 용수를 덥히는 일종의 히터 구성이라 할 수 있다.

또한 이렇게 가열된 용수는 바로 활용될 수는 없으므로 이를 저장하는 별도의 축열탱크가 구비될 수 있되, 바람직하게는 축열탱크의 내부에 용수를 저장하는 용수조(401)를 복수개로 구비하고 각각의 용수조(401)가 배출관(408)을 통해 저장된 용수를 주고받을 수 있도록 연결되는 것을 특징으로 한다.

그러나, 일반적으로 알려진 사실과 같이 물은 온도변화에 따라 그 부피가 다양하게 변화하게 되는데 따라서 용수조(401)는 이러한 부피변화 및 온도변화에 견딜 수 있는 신축성 재질로 구성되어야 할 것이다. 이에 따라 축열탱크는 내부에 용수 저장공간(404)이 구비된 용수조(401)와, 이 용수조(401)의 일 측에서 돌출 형성되어 열 교환기로부터 가열된 용수가 유입되는 유입관(407)과 결합되어 용수 저장공간(404)으로 용수를 수용하는 투입구(402) 및, 용수 저장공간(404)에 수용된 용수를 용수 배출구(406)(간단히 말해 온수를 필요로 하는 대상이 온수를 배출할 수 있도록 한 수도꼭지와 같은 구성) (혹은 다른 용수조(401) 중 어느 하나)로 제공하는 배출관(408)과 결합된 배출구(403)와, 용수조(401)의 측면에 각각 형성되어 다른 용수조(401)와 간격을 벌리는 이격부(405)를 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 용수조(401)는 용수의 온도와 부피변화를 견딜 수 있는 신축성 또는 탄성을 갖는 재질 혹은 아예 강철과 같이 변화가 없는 재질로 형성되는 것이 좋되, 변화가 없는 재질은 그 제조비용이나 부피, 무게 등이 문제가 될 수 있으므로 되도록 신축성 또는 탄성을 갖는 재질로 구비하는 편이 좋다고 할 수 있다. 이격부(405)는 쉽게 말해 일정 길이로 돌출된 돌기이며, 각 돌기가 암수 끼움방식이나 클램프 고정방식, 소켓 고정방식 등 공지의 다양한 결합방식으로 결합됨으로써 사이간격을 벌릴 수 있는 것이다. 이러한 이격부(405)는 다만 용수조(401)의 수축 및 팽창에도 견딜 수 있도록 충분한 탄성 혹은 신축성을 갖출 수 있는 결합구조가 적용되어야 할 것이다.

도 5의 (a) 및 (b)를 참조하면, 여기서 용수조(401)는 이러한 팽창 및 수축을 견디기 위해 상면과 하면에 관통 형성된 수조 관통공(420)과, 이 수조 관통공(420)을 연결하여 용수 저장공간(404)을 가로질러 장착되는 팽창 보조관(409)의 구성을 더 포함할 수 있다.(여기서 바람직하게는 수조 관통공(420)이 서로 마주보는 위치에 형성되어야 팽창 보조관(409)이 용이하게 결합될 수 있으나, 후술할 구성과 같이 팽창 보조관(409)이 2개 이상의 보조관이나 팽창관으로 구성된다면, 이들을 연결하면서 기울기의 조절이 가능하므로 이러한 점을 고려하여 수조 관통공(420)의 위치를 이해할 수 있음은 물론이다. 이 팽창 보조관(409)은 다시 용수조(401)의 상면으로부터 일정 깊이까지 함입되는 제1 보조관과, 제 1 보조관(410)이 끝나는 지점으로부터 용수조(401)의 하면까지 연장 관통되는 것으로서, 제 1 보조관(410)보다 직경이 작은 제 2 보조관(411)으로 구성될 수 있는 것이다.

즉, 두 개의 연속된 팽창 보조관(409)을 삽입하여 용수조(401)의 표면을 관통시키는 것으로서, 이러한 팽창 보조관(409)의 구성은 부피가 증가하거나 감소할 때에 과도하게 일 측이 불어 오르거나 혹은 수축되는 것을 방지하는 버퍼 역할을 할 수 있으며 동시에 두 팽창 보조관(409) 구성간의 직경이 차이가 있어 각각의 팽창 보조관(409) 사이에서도 부하가 발생할 때에 서로 간에도 부하를 커버하는 버퍼 역할을 할 수 있도록 구성한 것이라 하겠다.

여기서 용수조(401)의 표면에는 팽창 보조관(409)이 형성된 주변영역이자 상면 및 하면에서 수조 관통공(420)의 둘레로부터 방사형으로 일정 간격마다 함입 연장된 복수개의 팽창 리브(412)를 더 포함할 수도 있는데, 이러한 팽창 리브(412)는 둥글게 말리거나 접히는 부분에 절개선을 더 두어 형상변환이 용이하게 진행될 수 있도록 구성하는 것과 유사한 의미를 가지며, 따라서 이 팽창 보조관(409)들의 변형이 팽창 리브(412)를 통해 용이하게 이루어질 수 있도록 함으로서 팽창 보조관(409)이 보다 자유롭게 변형 가능하게 되어 이러한 부하를 더욱 견딜 수 있도록 구성하는 것이다.

또한 제 1 보조관(410)과 제 2 보조관(411)의 경계 부위 내주면에는, 내측으로 함입 형성되어 일종의 슬롯 역할을 하는 수용부(413)가 더 포함되고 이 수용부(413)에 끼움 결합되는 것으로서 신축성 재질의 완충패드(414)가 더 수용될 수 있다. 완충패드(414)는 제 1 보조관(410) 및 제 2 보조관(411)과 함께 신축되면서 제 1 보조관(410)과 제 2 보조관(411)의 형상이 과도하게 변형되는 것을 방지하는 버퍼 역할을 할 수 있으며, 나아가 이러한 완충패드(414)도 어느 정도 체적을 갖는 신축성 재질로 구성되기 때문에 부피변화에 따른 부하를 견디는 데 함께 활용될 수 있다고 할 수 있다.

나아가 이 팽창 보조관(409)은 도 5의 (c)와 같이 3중 구조로 구성될 수도 있는데, 바로 용수조(401)의 상면으로부터 일정 깊이까지 함입되는 제 1 팽창관(415)과, 제 1 팽창관(415)과 동일한 직경으로 용수조(401)의 하면으로부터 일정 깊이까지 함입되는 제 2 팽창관(416) 및, 제 1 팽창관(415)이 끝나는 지점과 제 2 팽창관(416)이 끝나는 지점을 관통 연장하는 것으로서 제 1 팽창관(415) 및 제 2 팽창관(416)보다 직경이 작은 연결관(417)으로 구성되는 구조이다. 즉, 단면으로 본다면 아령과 같은 형상을 갖게 되며, 이러한 형상은 앞선 이중 구조보다 더욱 명확하게 구성의 역할이 갈릴 수 있다. 상대적으로 넓은 제 1 팽창관(415)과 제 2 팽창관(416)은 용수조(401)의 팽창 시 버퍼역할을, 상대적으로 좁은 연결공은 용수조(401)의 수축 시 버퍼역할을 할 수 있도록 구성되는 것이다. 특히 이러한 구조는 팽창과 수축에 따른 부하를 힘이 집중되는 부위에서 각각 커버할 수 있어 보다 용이한 버퍼 구성을 갖출 수 있는 구조이다.

나아가 제 1 팽창관(415) 및 제 2 팽창관(416)은 용수조(401)의 표면 측 직경이 내측 직경보다 크게 형성되는 즉, 표면으로부터 내측으로 연장될수록 점차 직경이 감소하는 형태로 형성됨으로써 이러한 부하에 더욱 효과적으로 대응할 수 있을 뿐만 아니라, 이렇게 된다면 팽창 보조관(409)의 모든 부위가 팽창이나 수축 시 부하를 분배하는 데 활용될 수 있어 보다 안정화된 구조를 갖출 수 있는 구성이라 할 수 있다.

지금까지 설명한 바와 같이, 본 발명에 따른 수증기 순환식 개방형 지열 시스템을 상기 설명 및 도면에 표현하였지만 이는 예를 들어 설명한 것에 불과하여 본 발명의 사상이 상기 설명 및 도면에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 변화 및 변경이 가능할 것이다.

10: 관정 케이싱 20: 급수관
21: 순환관 30: 취출관
40: 축열장치 50: 증기 처리장치
51: 증기 발생부 52: 증기 투입관
60: 급수모듈 61: 하수조
62: 정화부 63: 가압펌프
301: 받침레일 401: 용수조
402: 투입구 403: 배출구
404: 용수 저장공간 405: 이격부
406: 용수 배출구 407: 유입관
408: 배출관 409: 팽창 보조관
410: 제 1 보조관 411: 제 2 보조관
412: 팽창 리브 413: 수용부
414: 완충패드 415: 제 1 팽창관
416: 제 2 팽창관 417: 연결관
420: 수조 관통공 501: 압출펌프
502: 받침판 503: 흡기 파이프
504: 흡기공 505: 증기 유통공
506: 블레이드 507: 흡입부 캡
508: 스크류 돌기 509: 받침도어
510: 힌지

Claims

수증기 순환식 개방형 지열 시스템으로서,
지중에 일정 깊이로 수직 삽관되어 하단부 영역에 물이 유입되는 양수공간을 형성하는 관정 케이싱;
상기 관정 케이싱 내부에 구비되는 것으로서,
지상으로부터 상기 양수공간으로 물을 공급하는 급수관;
상기 양수공간으로 공급된 물이 지열에 의해 기화되면서 발생한 수증기를 지상으로 이동시키는 취출관;
물을 데워 수증기를 발생하는 증기 발생부와, 상기 증기 발생부로부터 상기 양수공간으로 연장되어 상기 양수공간에 공급된 물에 상기 증기 발생부에서 발생된 수증기를 분사하여 물의 기화를 촉진하는 증기 투입관을 포함하는 증기 처리장치; 및,
지상에 구비되는 것으로서,
용수를 공급받아 상기 취출관을 통해 취출된 수증기와 열 교환을 진행하여 가열된 상기 용수를 저장하는 축열장치;
상기 축열장치에서 열 교환된 수증기가 액화된 물을 상기 급수관으로 이송하는 순환관;을 포함하고,
상기 축열장치는,
신축성 재질로 형성되어 내부에 용수 저장공간이 구비된 복수개의 용수조로 구성되되,
상기 용수조에는,
상면과 하면에 각각 관통 형성된 수조 관통공과, 상기 수조 관통공을 연결하는 신축성 재질의 팽창 보조관이 포함되는 것을 특징으로 하는, 수증기 순환식 개방형 지열 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 순환식 개방형 지열 시스템은,
생활하수가 저장되는 하수조와,
상기 생활하수를 정화하여 정화수를 생성하는 정화부 및,
상기 정화수를 상기 급수관으로 공급하는 가압펌프를 구비한 정화 급수모듈을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수증기 순환식 개방형 지열 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 순환식 개방형 지열 시스템은,
증기 유통공이 형성된 상태로 상기 취출관의 양수공간 측 내주면에 장착되는 받침판을 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 수증기 순환식 개방형 지열 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 순환식 개방형 지열 시스템은,
상기 취출관에서 상기 받침판의 상측 영역에 장착되어 수증기를 지상방향으로 펌핑 처리하는 압출펌프와,
상기 받침판의 표면에서 상기 증기 유통공의 둘레영역을 따라 방사형으로 복수개가 경사지게 연장된 복수개의 블레이드를 더 구비하며,
상기 취출관은,
상기 받침판과 접하는 내주면 둘레를 따라 함입 형성된 받침레일을 더 구비하여,
상기 압출펌프에 의해 펌핑된 수증기가 상기 취출관으로 유입되면서 상기 블레이드에 압력을 가해 상기 받침판이 상기 받침레일을 따라 회전되면서 수증기의 유입속도를 증가시키는 것을 특징으로 하는, 수증기 순환식 개방형 지열 시스템.
제 4항에 있어서,
상기 받침판은,
상기 받침판의 일부를 개폐하는 받침도어를 추가로 구비하여,
상기 받침판의 회전에 따라 상기 받침도어가 개방되면서 수증기의 유입량을 증가시키는 것을 특징으로 하는, 수증기 순환식 개방형 지열 시스템.
제 3항에 있어서,
상기 순환식 개방형 지열 시스템은,
상기 증기 유통공의 둘레를 따라 장착된 것으로서 상기 양수공간을 향해 연장되되 측면에 복수개의 흡기공이 관통 형성된 흡기 파이프와,
원뿔 형상으로 형성되어 바닥면이 상기 흡기 파이프의 양수공간 측 단부에 장착되고 꼭짓점이 상기 양수공간을 향하는 흡입부 캡을 더 포함하되,
상기 흡입부 캡은,
상기 흡입부 캡의 외주면을 따라 일정 간격마다 돌출된 복수개의 스크류 돌기가 더 포함되는 것을 특징으로 하는, 수증기 순환식 개방형 지열 시스템.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 팽창 보조관은,
상기 용수조의 상면으로부터 일정 깊이까지 연장되는 제1 보조관과,
상기 제 1 보조관이 끝나는 지점으로부터 상기 용수조의 하면까지 연장되는 것으로서, 상기 제 1 보조관보다 직경이 작은 제 2 보조관으로 구성되는 것을 특징으로 하는, 수증기 순환식 개방형 지열 시스템.
제 8항에 있어서,
상기 용수조의 상면 및 하면에는,
상기 수조 관통공의 둘레로부터 방사형으로 일정 간격마다 함입 연장된 복수개의 팽창 리브가 더 구비되는 것을 특징으로 하는, 수증기 순환식 개방형 지열 시스템.
제 8항에 있어서,
상기 제 1 보조관과 상기 제 2 보조관의 경계 부위에는,
상기 경계 부위의 내주면에서 내측으로 함입된 수용부가 더 구비되고,
상기 수용부에는,
신축성 재질의 완충패드가 수용되는 것을 특징으로 하는, 수증기 순환식 개방형 지열 시스템.
제 1항에 있어서,
상기 팽창 보조관은,
상기 용수조의 상면으로부터 일정 깊이까지 연장되는 제 1 팽창관과,
상기 제 1 팽창관과 동일한 직경으로 상기 용수조의 하면으로부터 일정 깊이까지 연장되는 제 2 팽창관 및,
상기 제 1 팽창관이 끝나는 지점과 상기 제 2 팽창관이 끝나는 지점을 잇는 것으로서 상기 제 1 팽창관보다 직경이 작은 연결관을 구비하는 것을 특징으로 하는, 수증기 순환식 개방형 지열 시스템.
제 11항에 있어서,
상기 제 1 팽창관 및 상기 제 2 팽창관은,
상기 용수조의 상면 및 하면 측 직경이 상기 용수조의 내측 직경보다 크게 형성되고,
상기 연결관은,
상기 제 1 팽창관 및 상기 제 2 팽창관과의 경계부위로부터 상기 연결관의 측면 중앙부위를 향할수록 직경이 넓어져 오목한 형상을 갖는 것을 특징으로 하는, 수증기 순환식 개방형 지열 시스템.