KR20090077804A - 직접교환 냉난방 시스템의 지중 냉매 배관 설치용 용기 어셈블리 - Google Patents

Abstract

직접교환 냉난방 시스템의 지중 냉매 배관 설치용 용기 어셈블리(1)는 냉매 배관의 U자형 만곡부(8)의 하부 끝단을 우물 및 보어홀(21) 속으로 하강시키기 위해 고중량의 보호용 용기 튜브(2)를 포함한다. 용기 튜브(2)는 주몸통부 및 원형이나 원추형의 노즈부로 구성된다. 냉매수송 라인(5, 6) 끝단의 U자형 만곡부는 용기 튜브(2) 내부의 시멘트 계통의 주입재(15) 내에 매설된다. 용기 튜브(2) 내부의 주입재(15)는 부양을 방지하기 위한 평탄한 상부 및 설치 시 연장가능한 와이어(19)에 의해 1 개 이상의 주입재 공급용 튜브(14)를 고정하기 위한 아이볼트(11)를 포함한다. 선택적으로, 표시구(39) 부착을 위해, 노즈 링(34)이 수중의 용기 튜브(2)의 하부 끝단에 부착된다.

용기 어셈블리, 용기 튜브, 노즈부, 주입재, 아이볼트

Description

직접교환 냉난방 시스템의 지중 냉매 배관 설치용 용기 어셈블리 {ENCASEMENT ASSEMBLY FOR INSTALLATION OF SUB-SURFACE REFRIGERANT TUBING IN A DIRECT EXCHANGE HEATING/COOLING SYSTEM}

본 발명은 대체적으로 다양한 설계 개선 및 다양한 특수 응용을 포함하는 흔히 "직접팽창" 냉난방 시스템이라고도 지칭되는 지열 직접교환("DX") 냉난방 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 수직 우물형 DX 냉난방 시스템의 냉매 배관을 설치하는데 사용되는 용기에 대한 신규의 설계에 관련된다.

지열원 및 수열원 열교환 시스템(geothermal ground source/water source heat exchange system)은 일반적으로 유체가 채워지고, 땅속에 매설되거나 물속에 잠기는 밀폐된 배관 루프를 사용한다. 이것은 땅속이나 물속에 설치된 유체 수송배관 주위의 땅속이나 물과의 사이에서 열을 흡수하거나 열을 방출하기 위함이다. 배관 루프는 지표면으로 연장되며, 자연적으로 가열된 유체 또는 자연적으로 냉각된 유체를 내측의 공기 열교환 수단에 순환시킬 수 있다.

종래의 지열 수열원 냉난방 시스템이 일반적으로 1차 열교환 단계로 땅속에서의 열교환을 위해 플라스틱(보통 폴리에틸렌)으로 된 지하의 지열 배관 내에 물 또는 동결방지제가 첨가된 물로 구성된 유체를 물 펌프로 순환시킨다. 2차 열교환 단계에서, 냉매 열펌프 시스템은 물과의 열전달을 위해 사용된다. 3차 열교환 단계에서는, 핀부착 배관(finned tubing)과 팬(fan)으로 구성된 실내공기조화기(interior air handler)가 사용되어, 냉매와의 열전달에 의해 실내 공간을 난방하거나 냉방한다.

최근의 지열 DX 열교환 시스템에서, 냉매 수송라인은 땅속 지표 근처나 수중에 직접 설치된다. 1차 열교환 단계를 통해 지표 밑 땅속의 열과의 열전달을 위해, 유체 수송라인에 일반적으로 R-22, R-410A 등과 같은 냉매가 구리 배관(copper tubing)으로 된 지표 밑 냉매라인(sub-surface refrigerant line) 내를 순환한다. DX 시스템은 통상적으로 실내 공기 조화기를 통해 실내 공간을 열교환하기 위해 2차 열교환 단계만을 필요로 한다. 따라서, DX 시스템은, 열교환 단계가 거의 요구되지 않고, 물 펌프 작동을 위한 에너지 소비가 없으며, 구리가 대부분의 플라스틱보다 좋은 열전도체이고, DX 시스템의 구리 배관 내에 순환하는 냉매 유체가 수열원 시스템의 플라스틱 배관 내에 순환하는 물보다 지면 주의와의 온도차가 크기 때문에, 일반적으로 수열원 시스템보다 효율이 높다. 또한, DX 시스템은 수열원 시스템에 비해 일반적으로 구멍 뚫는 공사가 간단하고 설치비가 적게 든다.

대부분의 지중 및 수중(in-ground/in-water) DX 열교환에 대해 설계가 이용될 수 있지만, 전체적인 시스템 운전효율을 향상시키기 위해 다양한 설계 개선이 이루어졌다. 이러한 개선사항 중, 특히 직접팽창 및 직접교환 지열 열펌프 시스템에 관해서는 미국 특허번호 제5,623,986호(Wiggs), 미국 특허번호 제5,816,314호(Wiggs), 미국 특허번호 제5,946,928호(Wiggs), 및 미국 특허번호 제6,615,601 호(Wiggs)에 기술되어 있으며, 그 개시 내용은 참조로서 본 명세서에 원용되어 있다. 이러한 개시 내용에는 수평형 및 수직형 지표 밑 지열 열교환 수단이 포함된다.

본 발명은 호수나 이와 유사한 곳에서 이용하는 실시예도 설명되어 있지만, 기본적으로 수직형 지표 밑 지열 교환 장치가 설치된 DX 시스템에 관한 것이다. 전통적으로, 구리의 냉매 수송 배관은 수직형 우물 및 보어홀(wells/boreholes) 속으로 하강시키거나 밀어내리는 방식으로 설치된다. 이러한 과정에서 일부 문제가 발생한다. 첫째는, 냉매 수송배관은, 일반적으로 우물 내의 냉매 수송배관의 하부 끝단에서 U자형 만곡부 등의 수단으로 연결된 1개의 작은 직경의 구리 액체냉매 수송 튜브와 1개의 큰 직경의 구리 기체냉매 수송 튜브로 구성된다. 냉매 수송배관은 우물 속으로 하강될 때나 우물 바닥에 닿을 때 하부 끝단(lower distal end)이 굽어지는 등의 손상을 입을 우려가 있다. 예를 들어, U자형 만곡부는 긁힘이 발생되거나 움푹 들어가게 되거나, 구멍이 뚫리거나, 주름이 형성될 수 있다. 이러한 손상은 냉매흐름에 영향을 끼치고 시스템 운전효율을 떨어뜨리거나 냉매 누설을 발생시켜 시스템을 전체적으로 유효하지 않게 한다.

또한, 냉매 배관을 우물 속에 설치할 때, 몇 가지 다른 문제가 주기적으로 생길 수 있다. 그 중 첫 번째는 단단한 암석이 나타날 때까지 파여진 흙을 기슭으로 올리기 위해 때때로 용기(casing)가 필요하게 된다는 점이다. 이러한 경우에, 용기를 관통하여 필요한 깊이까지 암석을 뚫는 데 소형 드릴이 사용된다. 그 결과, 용기가 다 뚫려져 암석이 뚫리기 시작하는 우물 속의 지점에 작고 둥근 돌 무 리가 보통 남게 된다. 이러한 이유는, 암석을 뚫는 데 사용된 소형 드릴이 용기에 충분히 큰 구멍을 내는데 사용된 대형 드릴보다 직경이 더 작기 때문이다. 예를 들어, 용기의 직경은 6 인치인 반면, 암석을 뚫는 데 사용된 드릴의 직경은 단지 4.5 인치일 수 있다. 이러한 작은 돌 무리는 구리 냉매수송 라인을 우물 속으로 하강시키는 데 장애가 된다.

두 번째 문제는 이 작은 돌 무리가 주입재 공급용 튜브(grount pumping tube)를 우물 속으로 하강시키는 데 자주 장애가 된다는 점이다. 주입재 공급용 튜브는 구리 배관 설치 시 생성된 공기 틈을 제거하기 위해, 우물 바닥에서 상부로 주입재(grout)를 공급하는 데 사용한다. 주입재 공급용 튜브는 1 인치 내지 1.25 인치 직경의 폴리에틸렌 튜브 등이 사용되고, 원형의 개방된 끝단을 갖는다. 주입재 공급용 튜브는 구리 배관과 함께 우물 바닥이나 바닥 근처에 설치되어야 한다. 주입재 공급용 튜브는 밀거나 당기거나 좌우 회전시키는 동작으로 암석층을 통과할 수 있더라도, 튜브의 끝단이 손상을 받아 막히거나 튜브를 통한 주입재의 충전이 힘들게 된다.

대부분이 연동 냉매 그레이드 튜브(soft copper refrigerant grade tubes)인 주입재 공급용 튜브는 일반적으로 감겨진 형태로 보관되기 때문에, 한정되고 곧은 수직형 벽으로 둘러싸인 보어홀 및 우물 속으로 하강할 때, 플라스틱 튜브 코일의 "복원력(memory)"은 배관을 용기 및 바위 우물 중 적어도 하나의 실내벽 쪽으로 밀어 움직이게 한다. 이러한 마모에 의해 배관이 닳게 되며, 그 결과 배관을 위에서 우물 속 아래로 밀어내리는데 필요한 힘이 발생한다. 동시에 연동 배관을 밀어 움 직이게 하면, 우물 벽에 의해 야기되는 추가의 배관 마모가 일어나고, 구리 배관이 비틀어지거나 또는 다른 식으로 손상될 위험성이 커진다.

세 번째 문제는 자연 발생되는 지하수가 때때로 우물 및 보어홀 내에 생긴다. 구리 배관은 일반적으로 물보다 무겁지만, 액체냉매 수송 튜브가 단열처리된 경우에는 단열재에 의해 부력이 발생한다. 이때 배관을 우물바닥에 설치하기 위해서는, 단열 액체 라인을 포함한 구리 배관을 우물 속으로 밀어야한다. 또한, 단열 액체 라인을 포함한 구리 배관이 우물 밖으로 떠오르는 것을 막기 위해, 우물 상부에 구리 배관을 고정시켜야 한다.

네 번째 문제는 단열 액체 라인이 사용되는 경우의 DX 시스템에서, 액체 라인을 둘러싸는 단열재로 인해 물보다 2배 이상 더 무거운 주입재(그라우트 111)에 의해, 주입재가 공급될 때 구리 배선을 우물 밖으로 떠오르게 하는 부력이 발생한다. 이것은 설치자로서는 골치 아픈 현상이다. 물로 가득찬 우물의 경우와 같이, 그라우트 111 등과 같은 시멘트 계통의 주입재가 사용되는 경우에는 주입재가 굳을 때까지라도 우물의 상부로부터 연장되는 구리배관 상부를 막거나, 봉쇄하거나, 또는 고정시켜야 한다. 뉴욕 국립 브룩헤이븐 연구소가 개발한 그라우트 111은, 당업자들은 쉽게 이해하겠지만, 방축성 및 내크랙성 시멘트 계통의 주입재이다.

다섯 번째 문제는 특히 혈암(shale) 등과 같은 암석으로 된 수직형의 우물 및 보어홀 내에 DX 시스템의 지열 냉매 수송배관을 설치할 때에, 배관 설치 시 배관이 보어홀을 가로질러 미끄러져 배관 설치 작업이 어려워질 수 있다. 이러한 장애 요소를 제거하기 위한 노력이, 그 장애를 극복하기 위한 일환으로 일반적으로 보어홀을 재드릴링 및/또는 세척하거나, 아니면 로프에 의하여 표면에 고정된 중량 막대바를 보어홀 안으로 넣는 것에 국한되어 이루어졌다. 이들 종래의 방법은 상당한 시간과 노력을 필요로 하였다.

따라서, 특히 적어도 1개의 냉매 수송라인에 단열처리가 된 경우에는 구리배관을 효율적이고 안전하게 설치하는 방법이 필요하다. 또한, 배관의 손상, 마모, 암석에 의한 장애, 및 부력의 문제를 피하기 위해, 주입재 충전에 사용되는 주입재 공급용 튜브를 효율적이고 안전하게 설치하기 위한 방법이 필요하다.

본 발명의 목적은 지표 밑에 수직형 구리배관을 설치하거나 호수용으로 수평으로 설치하는 종래의 직접팽창 지열 냉난방시스템의 효율성과 안정성을 개선시키는 것이다. 이것은 어느 정도의 중량을 지닌 바닥 폭이 넓고(보어홀 및 우물의 직경에 비해) 긴 형상을 갖는 용기 어셈블리(encasement assembly)를 사용함으로써 해결된다. 용기 어셈블리에는 상부가 평탄하고 밑단이 원형이나 원추형 중 하나 이상의 형상인 용기 튜브(encasement tube)가 구성되고, 이 안에 우물 및 보어홀에 설치할 구리 배관과 주입재 공급용 배관이 삽입된다. 설치자는 이러한 방법으로 구리 냉매수송배관을 손상시키지 않고 느슨하게 고정된 주입재 공급용 튜브를 쉽게 끌어당길 수 있다. 바람직한 실시예는 어뢰와 유사한 크기를 가지기 때문에, 이러한 용기 어셈블리를 때로는 "어뢰" 모형이라 부르기도 한다.

본 발명에 의한 용기 어셈블리는 철, PVC, 구리, 금속, 플라스틱 등으로 제조되고, 폭보다 길이가 긴 1개의 용기 튜브로 구성된다. 용기 튜브는 윗면이 평탄한 주몸통부(main body portion)를 갖는다. 사용상 우물 및 보어홀의 직경이 4.5인치인 경우, 예를 들어 주몸통부의 폭은 2.5인치 내지 3인치일 수 있는 한편, 사용상 우물 및 보어홀의 직경이 더 큰 경우에는 주몸통부의 폭은 바람직하게 1인치 이상의 직경 간격으로 더 커질 수 있다. 용기 튜브의 길이는 우물 속에서 용기 튜브가 전도되지 않도록 적어도 우물 및 보어홀의 폭보다는 길어야 한다. 바람직하게, 길이는 적어도 구리 냉매 수송배관의 U자형 만곡부보다 길어야하고, 내용물과 함께 필요한 중량을 갖도록 충분히 길어야 한다. 바람직하게, 완성된 용기 튜브의 무게는 10파운드 내지 40파운드 범위 내에 있어야 한다. 용기 튜브가 무거우면 무거울수록(25파운드 내지 40파운드), 물이 가득찬 우물 속에서 구리배관을 설치하기가 용이하다. 용기 튜브가 가벼우면 가벼울수록(10파운드 내지 20파운드), 주입재의 충전 작업 전에 압력 테스트를 통한 수리가 필요한 경우 구리 배관을 꺼내기가 용이하다.

바람직하게, 본 발명의 용기 튜브는 비교적 직경이 일정하고, 노즈부(nose)가 원형이나 원추형 중 하나 이상의 형상의 주몸통부를 포함해야 하며, 상기 노즈부는 튜브의 주몸통부의 베이스로부터 연장된다. 이 중에서 암석을 보다 쉽게 통과하도록 용기 튜브를 안내하는 원추형 노즈 형상이 바람직하다. 또한, 이 원추형 노즈부는 용기 어셈블리와 이에 수반 및 부착된 냉매수송 배관의 무게가 우물 또는 보어홀을 가로질러 일부 또는 전부가 스스로 움직일 수 있는 어떤 지표 밑 물질을 더 쉽게 뚫고 지나갈 수 있도록 할 수 있다. 원형이나 원추형 노즈가 부서지는 경우에, 냉매 수송배관이 손상되지 않도록, 용기 튜브 내 구리배관의 U자형 만곡부는 용기 튜브의 주몸통부 바닥에서 1인치 이상, 바람직하게는 2인치 정도 떨어져 위치되어야 한다.

당업자는 쉽게 이해하겠지만, 냉매 수송배관의 끝단은 용기 튜브 내에 설치되고, 선택적으로 난방모드 핀 제한기 어셈블리(heating mode pin restrictor assembly)를 구성한다. 각각의 볼트의 원형의 아이볼트 단부가 용기 튜브의 윗면보다 약간 위로 연장하되, 와이어, 라인 또는 기타 다른 체결 수단이 용기 튜브의 윗면을 가로질러 아이볼트의 원형 상부를 통과하여 연장될 수 있을 정도로만 돌출하도록, 1개 이상, 바람직하게는 2개의 아이볼트(eye bolts) 등이 용기 튜브의 윗면 부근에 위치된다.

주입재의 충전작업이 시작되면 냉매 수송배관을 손상시키지 않으며 쉽게 주입재 공급용 튜브를 느슨하게 당기는 동안, 주입재 공급용 튜브의 하부 끝단이 용기 튜브의 주몸통부 내부 껍질(shell) 안에 유지되도록, 주입재 공급용 튜브를 용기 튜브에 고정시키는 목적으로 아이볼트가 사용될 것이다. 이를 위해서는, 용기 튜브 내 상부에는 냉매 수송배관과 주입재 공급용 튜브에 맞게 충분한 공간이 필요하다. 예를들면, 용기 튜브 내부의 상부는 1인치 내지 2인치 정도의 공간이 형성될 수 있다(평탄한 표면이 형성되는 주입재가 충전되지 않음).

선택사항으로 제1 아이볼트 주위에서 주입재 공급용 튜브의 삽입에 방해되지 않도록 용기 튜브의 윗면 위치 부근에 제2 아이볼트 등이 위치된다. 예컨대 1.25인치의 제2 아이볼트는 우물 속으로 용기와 이에 부착된 냉매 수송배관과 주입재 공급용 튜브를 설치하는 것을 제어하고 및/또는 주입재 충전 작업 전에 수리가 필요한 경우, 우물 안이나 밖으로 용기 어셈블리를 꺼낼 수 있게 로프(rope), 줄(line), 와이어, 체인(chain) 등을 용기 어셈블리에 고정하기 위해 선택적으로 사용된다. 예를들면, 주입재 충전 작업 전의 압력 테스트 동안 누수가 감지되면, 누수가 발견되고 복구되는 지점까지 용기 어셈블리 전부를 꺼내는데 로프가 사용될 수 있다. 그 후, 로프는 용기 어셈블리를 우물 속으로 다시 설치하는데 사용될 수 있다.

냉매 수송배관과 U자형 만곡부가 용기 튜브에 삽입되고, 아이볼트가 정위치에 고정된 후(용기 튜브의 윗면을 가로지르는 각각의 아이볼트에 연결되는 보강 와이어 등에 의해), 콘크리트, 시멘트, 그라우트 111 등이 사용되어 용기 튜브 윗면으로부터 약 1인치 내지 2인치 지점까지 내부의 빈 공간을 메운다. 아이볼트의 나사 단부가 시멘트 계통의 주입재 또는 기타 다른 충전재 내에 단단히 고정되도록, 용기 튜브는 너트와 같은 아이볼트의 하부 또는 아이볼트의 구부러진 하부 끝단을 매설하기에 적어도 충분히 높은 지점까지 채워진다. 용기 어셈블리가 우물 속으로 하강되는 경우, 용기 튜브 내에 주입재 공급용 튜브 하부 끝단을 전부 보호하기에 충분한 공간을 형성하도록, 용기 튜브의 윗면 부근의 약 1인치 내지 2인치 부분을 제외하고 원형이나 원추형인 노즈부를 포함한 남은 용기 튜브의 전체 공간에 충전재가 채워진다.

용기 튜브 내에서 용기 튜브 상단 부근의 시멘트 계통의 주입재는 평탄화된다. 이로 인해, 우물 속에 물이 자연적으로 발생하는 경우 물에 평탄면이 형성되고, 중량 주입재 우물 및 보어홀 충전재에 평탄면이 형성되어, 우물 및 보어홀의 바닥에서 윗면으로 주입재가 용기 튜브의 윗면 위쪽의 우물 및 보어홀의 환형의 빈 공간 내에 주입될 때 그 주입재를 밀어낸다. 이러한 설계 시에는, 냉매수송 배관이 냉매수송 배관 중 액체 라인 주변의 일부 절연체와 함께 물로 가득찬 우물 밖으로 떠오르지 못하도록 하고, 주입재가 추가 주입 및 경화될 때에도 우물 밖으로 떠오르지 못하도록 하기 위해, 용기 튜브의 윗면의 평탄면에 대한 주입재의 무게와, 주입재가 충전된 용기 튜브의 무게가 이용된다.

일정 간격으로 지표 밑 지열 열교환 냉매수송 배관을 호수, 강, 만, 하천, 바다 등의 바닥이나 수중에 설치하는 것은 유리하다. 이런 경우에, DX 냉난방 시스템을 통해 열을 회수할 때 바닥이 결빙되지 않을 정도의 충분한 크기와, 냉방하는 동안 바닥으로 열을 버릴 때 증발하지 않을 정도의 충분한 크기를 갖는 수역은 일반적으로 우수한 지열 열교환 특성을 갖추고 있기 때문에, 우물 및 보어홀을 뚫는 공사가 필요없다. 이러한 경우에는, 용기 튜브의 노즈부의 하부 끝단에 로프 부착용 아이볼트를 위치시키는 것이 바람직하다. 대체방법으로 와이어 로프, 나일론 로프, 플라스틱 로프 등을 삽입할 수 있는 크기의 작은 구멍을 용기 튜브의 원추형 노즈부를 관통하여 뚫어도 된다. 로프는 용기 튜브와 이에 부착된 냉매수송 라인을 정상위치로 끌어당기기 위해 사용된다. 이러한 상태에서, 용기 튜브는 냉매 수송배관을 정상위치로 끌어당기고, 냉매 수송배관의 끝단을 용기 무게를 사용하여 정상위치에 고정시키는 데 유용하다.

추가적이고 선택적으로, 로프 및 줄 등을 아이볼트에 부착하거나 용기 튜브의 원추형 노즈부 끝의 작은 구멍에 통과시킬 수도 있다. 이 로프 및 줄은 용기 어셈블리의 지표 밑 위치를 나타내면서 이동 시나 필요한 경우 수리 시에 도움을 주는 부표와 같은 부력 장치에 고정된다.

도 1은 액체 및 기체 냉매수송 라인이 부착되어 우물 및 보어홀 내에 배치되며 원추형의 노즈부와 상부가 평탄한 주몸통부를 포함한 용기 튜브와, 이 용기 튜브 내의 주입재로부터 연장되는 아이볼트에 부착된 주입재 공급용 튜브와, 부착된 로프를 나타내는 본 발명의 용기 어셈블리의 일 실시예의 측단면도이다.

도 2는 작은 직경의 액체 냉매수송 라인, 큰 직경의 기체 냉매수송 라인, 와이어에 의해 제1 아이볼트에 부착된 주입재 공급용 튜브, 및 선택적 제2 아이볼트에 연결된 로프를 나타내는 본 발명의 용기 어셈블리의 평면도이다.

도 3은 용기 튜브가 원형의 노즈부를 갖는 본 발명의 용기 어셈블리 튜브의 일 실시예의 측면도이다.

도 4는 호수 내에 위치되며, 용기 튜브의 원추형 노즈부의 끝단에 링을 갖는 본 발명의 용기 어셈블리의 일 실시예의 측면도이다. 전술한 링은 용기 튜브와 이에 미리 설치된 액체 및 기체 냉매수송 배관을 호수의 바닥 지점이나 그 안으로 잡아당기는데 사용될 로프를 위한 선택적 부착 지점으로 사용된다. 또한, 링에 부착되어 호수면에서 용기 어셈블리의 위치를 표시하기 위해 부력 장치(flotation device)까지 연장되는 선택적 라인이 도시되어 있다.

도 5는 호수 내에 위치되며, 로프 및/또는 표시구(marker float)를 위한 선택적인 부착 지점을 제공하기 위한 작은 구멍이 드릴 공정에 의해 용기 튜브의 노 즈부에 형성되는 본 발명의 용기 어셈블리의 일 실시예의 측면도이다.

이하에서 유사 참조번호가 유사 부품 또는 유사 요소를 나타내는 도면을 상세히 참조하면, 도 1에는 용기 튜브(2)와 주몸통부의 베이스(10)로부터 연장되는 원추형의 노즈부(3)로 구성되는 용기 어셈블리(1)의 일 실시예의 측단면도가 도시되어 있다. 본 도면에 있어서, 용기 튜브(2)의 주몸통부(길이(36)에 해당)는 실질적으로 원통형이며, 철, 구리, 금속, 또는 플라스틱 파이프 등으로 형성된다. 당업자는 쉽게 이해하겠지만, 용기 튜브(2)는 반드시 원통형일 필요는 없다. 예컨대, 용기 튜브(2)는 복수의 평탄면 등으로 이루어질 수 있다(당업자는 쉽게 이해하겠지만, 본 도면에서는 복수의 평탄면으로 이루어진 배관은 도시되지 않음). 우물 및 보어홀(21) 속에 설치되는 동안 용기 어셈블리(1)가 전도되지 않도록, 용기 튜브(2)의 주몸통부의 길이(36)가 우물 및 보어홀(21)의 폭(37)보다 더 길다. 당업자는 쉽게 이해하겠지만, 우물 및 보어홀(21)은 드릴 공정에 의해 땅(41) 속에 주입 및 매설된다.

바람직하게, 용기 튜브(2)의 원추형 노즈부(3)는 길이가 대략 6인치이며, 그 밑단(4)에서 끝이 뾰족하게 형성된다. 노즈부(3)는 설치 동안 주몸통부로부터 분리될 수 있도록 용기 튜브의 주몸통부에 부착될 수 있다. 액체 냉매수송 라인(5)의 끝단은 용기 튜브(2)의 주몸통부의 평탄한 베이스(10)에서 약 2인치(27) 떨어진 지점에서 U자형 만곡부(8)의 형태로 형성된다. 액체 냉매수송 라인(5)은 용기 튜브(2) 내에서 커플링(29)에 의해 기체 냉매수송 라인(6)에 연결된다. 용기 튜 브(2)의 윗면(7)은 평탄하다. 바람직하게는, U자 만곡부(8)에서의 수송 라인의 하부 끝단(9)은 용기 튜브(2)의 베이스(10)로부터 약 2인치(27)(본 도면에서는 일정한 비율로 그려져 있지 않음) 떨어져 위치되므로, 우물 및 보어홀(21) 안으로 삽입되는 동안 원추형 노즈부(3)가 파손되더라도 U자형 만곡부(8)는 손상되지 않을 것이다. 본 도면에서 도시되는 용기 어셈블리(1)는 우물 및 보어홀(21)의 하단부(22)에 위치되어 있다. 당업자는 쉽게 이해하겠지만, 우물 및 보어홀(21)은 드릴 및 굴착 공정에 의해 땅(41) 속에 주입 및 매설된다.

도 1의 실시예에 있어서, 제1 아이볼트(11)는 용기 튜브(2)의 윗면(7) 위로 약간 돌출되어 있는 제1 아이볼트(11)의 원형 헤드부(12)와 함께 도시되어 있다. 제1 아이볼트(11)는 주입재 공급용 튜브(14)의 하부 끝단(13)을 용기 어셈블리(1)에 고정하기 위한 수단으로 사용된다. 당업자는 쉽게 이해하겠지만, 통상적으로 주입재 공급용 튜브(14)는 주입재(15)를 지열 우물 및 보어홀(21) 안으로 삽입하기 위해 사용되는 폴리에틸렌 튜브이다. 너트(32)와 아이볼트(11)의 하부는, 아이볼트(11)가 정위치에 고정되기 위해, 주입재(15) 내에 위치된다. 바람직하게, 주입재 공급용 튜브(14)는, 주입재(15)가 충전되지 않은 용기 튜브(2)의 상부(18) 내부에 주입재 공급용 튜브(14)의 하부 끝단(13)이 위치하도록, 주입재(15) 위에 연장되는 제1 아이볼트(11)의 부분을 에워싸면서 위치된다. 제1 아이볼트(11)의 원형 헤드부(12)를 통과하여 연장하도록 와이어(19) 등을 삽입하기 위해, 주입재 공급용 튜브(14)의 양쪽에 작은 구멍(17)이 뚫린다. 그리고 나서, 용기 어셈블리(1)가 우물(21) 속으로 하강되는 경우 주입재 공급용 튜브(14)를 정위치에 고정하되, 액체 냉매수송 라인(5)이나 기체 냉매수송 라인(6)의 손상 없이 주입재의 충전작업 동안 용기(1)로부터 주입재 공급용 튜브(14)를 꺼내어 제거할 경우에 쉽게 부서지거나 잡아당기면 쉽게 풀리도록, 와이어(19)가 주입재 공급용 튜브(14)의 주위를 따라 구부러진다.

제1 아이볼트(11)와 유사하게 용기 튜브(2) 내부에 위치되지만, 주입재 공급용 튜브(14)나 액체 및 기체 냉매수송 라인(5, 6)에 의해 방해받지 않는 위치(31)에 위치되는 선택적 제2 아이볼트(23)가 도시되어 있다. 나이론 로프, 와이어 로프 등의 선택적 로프(24)는 제2 아이볼트(23)의 원형의 헤드부(12)에 연결되고, 우물(21)을 지나 지면(25) 위의 지점까지 연장되어, 용기 어셈블리(1)와 이에 추가로 부착된 주입재 공급용 튜브(14), 냉매수송 라인(5, 6)을 우물 및 보어홀(21) 내에서 하강시키거나 상승시킬 수 있는 윈치(winch)(당업자가 쉽게 이해하겠지만, 본 도면에서는 윈치는 도시되지 않음)에 연결될 수 있다.

용기 튜브(2) 내부의 빈 공간에는, 용기 튜브(2)의 상부(18) 내부에 주입재 공급용 튜브(14)의 하부 끝단(13)이 위치하도록, 용기 튜브(2)의 윗면(7) 아래로 약 2인치(27)(일정한 비율로 그려져 있지 않음)되는 지점까지 주입재(15)(바람직하게는 그라우트 111 등과 같은 시멘트 계통의 주입재)가 채워진다. 이는, 주입재 공급용 튜브(14)가 우물(21) 속으로 하강될 때, 주입재 공급용 튜브(14)의 하부 끝단(13)이 손상되거나 파손되는 것을 방지한다. 주입재(15), 바람직하게는 그라우트 111 등과 같은 시멘트 계통의 주입재는 용기 튜브(2)의 윗면(7) 아래로 약 2인치(27)되는 지점까지 평탄면(26)이 형성된다. 이 평탄면(26)은, 우물이 자연수(당 업자가 쉽게 이해하겠지만, 본 도면에서는 자연수는 도시되지 않음)를 함유하는 경우에, 용기 어셈블리(1)와 액체 냉매수송 라인(5) 주변의 일부 절연체(33)와 함께 용기 어셈블리에 부착된 냉매수송 배관(5, 6)이 우물(21) 밖으로 떠오르지 못하게 하고, 주입재 충전과정(당업자는 충전과정을 쉽게 이해할 것임) 동안에 용기 어셈블리(1)가 우물(21) 밖으로 떠오르지 못하게 하는 저항력을 제공할 것이다. 그라우트 111과 같은 시멘트 계통의 주입재는 방축성, 내크랙성, 내수성, 및 종래의 다른 주입재에 비해 우수한 열 전도성을 가지고 있으므로, 용기 튜브(2)용 충전재로서 바람직하다. 또한, 그라우트 111은 1갤런당 약 18.5파운드의 중량(물무게의 2배 이상)으로 비교적 무거워서, 우물 및 보어홀(21) 내에 자연적으로 발생하는 임의의 물의 위치를 바꾸어 놓는다(도시되지 않음).

도 2는 작은 직경의 액체 냉매수송 라인(5), 큰 직경의 기체 냉매수송 라인(6), 용기 튜브(2) 내에서 주입재 공급용 튜브(14)를 제1 아이볼트(11)에 고정하는 고정용 와이어(19)에 의해 제1 아이볼트(11)에 부착된 주입재 공급용 튜브(14), 및 용기 어셈블리(1) 전체를 선택적으로 상승시키거나 및/또는 하강시킬 수 있는 선택적 제2 아이볼트에 연결된 로프(24) 등을 포함하는 용기 어셈블리(1)의 상단부를 나타낸다.

도 3은 용기 튜브(2)가 원형의 노즈부(28)를 갖는 용기 어셈블리(1)의 다른 실시예의 측면도이다.

도 4는 원추형 노즈부(3)의 끝단(13)에 링(34)을 갖는 용기 어셈블리(1) 및 용기 튜브(2)의 다른 실시예의 측면도이다. 당업자는 쉽게 이해하겠지만, 전술한 링(34)은 아이볼트, 후크, U자 볼트 등일 수 있으며, 와이어 로프 및 나이론 로프 등과 같은 로프(24)를 위한 선택적 부착지점으로 사용된다. 특정 용도로서 로프(24)는 용기 어셈블리(1)와 이에 미리 설치된 액체 및 기체 냉매수송 배관(5, 6)을 땅(41)으로 둘러싸인 호수(35), 강, 만, 바다 등의 바닥(9) 지점이나 그 안으로 잡아당기는데 사용될 것이다. 이러한 호수(35)를 설치할 때, 주입재 공급용 튜브는 필요하지 않다.

또한, 도 4의 실시예에서는, 링(34)에 부착되어 호수(35)의 수면(40)에서 용기 어셈블리(1)의 위치를 표시하기 위해 부표 등과 같은 부력 장치(39, flotation device)까지 연장되는 선택적 라인(38)이 도시되어 있다.

도 5는 용기 튜브(2)의 원추형 노즈부(3)에 드릴 공정 등에 의하여 작은 구멍(17)이 형성되는 용기 어셈블리(1)의 측면도이다. 당업자는 쉽게 이해하겠지만, 구멍(17)은 와이어 로프, 나이론 로프 등과 같은 로프(24)를 위한 선택적 부착지점으로 사용된다. 특정 용도로서 로프(24)는 용기 어셈블리(1)와 이에 미리 설치된 액체 및 기체 냉매수송 배관(5, 6)을 땅(41)으로 둘러싸인 호수(35), 강, 만, 바다 등의 바닥(9) 지점이나 그 안으로 잡아당기는데 사용될 것이다. 이러한 호수(35)를 설치할 때, 주입재 공급용 튜브(당업자는 쉽게 이해하겠지만, 본 도면에서는 도시되지 않음)는 필요하지 않다.

또한, 도 5의 실시예에서는, 구멍(17)에 부착되어 호수(35)의 수면(40)에서 용기 어셈블리(1)의 위치를 표시하기 위해 부표 등과 같은 부력 장치(39, flotation device)까지 연장되는 선택적 라인(38)이 도시되어 있다.

이와 같이, 본 발명의 새롭고 유용한 '직접교환 냉난방 시스템의 지중 냉매 배관 설치용 용기 어셈블리'의 특정 실시예들이 설명되었지만, 이러한 설명은 본 발명의 범위에 대한 제한으로 해석되어선 안되며, 본 발명의 범위는 첨부된 청구항에 의해 규정된다.

Claims (26)

1. 직접교환 냉난방 시스템의 지중 냉매 배관 설치용 용기 어셈블리에 있어서,

   평탄한 상부, 베이스를 갖는 주몸통부, 및 상기 주몸통부의 상기 베이스로부터 연장되는 원형이나 원추형의 하나 이상의 형상의 노즈부를 갖는 용기 튜브를 포함하는,

   용기 어셈블리.
2. 제1항에 있어서,

   상기 용기 튜브 내부에 위치되며, 상기 용기 튜브의 상기 주몸통부의 상기 배이스에 근접하여 그 위쪽에 위치된 끝단을 갖는 냉매 배관을 추가로 포함하는, 용기 어셈블리.
3. 제2항에 있어서,

   상기 용기 튜브 내부에 위치되며, 상기 냉매 배관의 끝단 및 상기 냉매 배관 전체 중의 적어도 하나를 에워싸는 주입재를 추가로 포함하는, 용기 어셈블리.
4. 제3항에 있어서,

   상기 용기 튜브의 윗면에 인접하여 주입재 공급용 튜브를 부착하기 위한 주입재 공급용 튜브 부착 수단을 추가로 포함하는, 용기 어셈블리.
5. 제4항에 있어서,

   상기 주입재 공급용 튜브 부착 수단에 고정된 주입재 공급용 튜브를 추가로 포함하는, 용기 어셈블리.
6. 제4항에 있어서,

   상기 주입재 공급용 튜브 부착 수단은, 상부가 상기 용기 튜브의 상기 윗면 위에서 연장하며, 하부가 상기 주입재 내부에 위치되는 제1 아이볼트(eyebolt)를 포함하는, 용기 어셈블리.
7. 제6항에 있어서,

   상부가 상기 용기 튜브의 상기 윗면 위에서 연장하며, 하부가 상기 주입재 내부에 위치되는 제2 아이볼트를 추가로 포함하는, 용기 어셈블리.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제2 아이볼트의 상기 상부에 부착되는 것으로 로프, 와이어, 및 체인 중 1개 이상을 추가로 포함하는, 용기 어셈블리.
9. 제1항에 있어서,

   상기 용기 튜브는 보어홀 직경을 갖는 보어홀 내부에 수직으로 위치되며, 상 기 용기 튜브의 상기 주몸통부는 상기 보어홀 직경보다 더 긴, 용기 어셈블리.
10. 제3항에 있어서,

    상기 용기 튜브의 상기 노즈부에 부착된 로프 연결 수단을 추가로 포함하는, 용기 어셈블리.
11. 제10항에 있어서,

    상기 로프 연결 수단은 노즈 링을 포함하는, 용기 어셈블리.
12. 제10항에 있어서,

    로프, 와이어, 및 체인 중 1개 이상으로 구성되며, 근단(proximal end)과 라인 연결 수단에 연결된 끝단(distal end)을 포함하는 라인을 추가로 포함하는, 용기 어셈블리.
13. 제12항에 있어서,

    상기 라인의 상기 근단에 연결된 표시구(marker float)를 추가로 포함하는, 용기 어셈블리.
14. 제13항에 있어서,

    상기 용기 어셈블리는 수중(a body of water)에 위치되는, 용기 어셈블리.
15. 제3항에 있어서,

    상기 주입재는 시멘트 계통의 주입재를 포함하는, 용기 어셈블리.
16. 제15항에 있어서,

    상기 시멘트 계통의 주입재는 상기 용기 튜브의 상기 윗면 아래 근방에 평단면이 형성되는, 용기 어셈블리.
17. 제16항에 있어서,

    상기 시멘트 계통의 주입재는 그라우트 111(Grout 111)을 포함하는, 용기 어셈블리.
18. 제6항에 있어서,

    상기 주입재 공급용 튜브는 상기 주입재 공급용 튜브의 양쪽을 관통하는 구멍을 추가로 포함하며, 상기 주입재 공급용 튜브의 상기 구멍을 지나 상기 제1 아이볼트의 상기 상부를 관통하여 삽입되는 풀림 와이어(release wire) 및 풀림 라인 중 1개 이상을 추가로 포함하는, 용기 어셈블리.
19. 제18항에 있어서,

    상기 풀림 라인 또는 와이어는, 상기 용기 어셈블리가 우물 속으로 하강되는 경우에 상기 주입재 공급용 튜브를 정위치에서 분리가능하게 고정하도록, 상기 주입재 공급용 튜브의 주위를 따라 구부러지는, 용기 어셈블리.
20. 직접교환 냉난방 시스템의 지중 냉매 배관을 설치하는 방법에 있어서,

    (a) 평탄한 상부, 베이스를 갖는 주몸통부, 및 상기 주몸통부의 상기 베이스로부터 연장되는 원형이나 원추형 중 하나 이상의 형상의 노즈부를 갖는 용기 튜브 내에 상기 냉매 배관의 적어도 끝단부를 위치시키는 단계;

    (b) 상기 용기 튜브를 지표 밑 위치에 배치하는 단계; 및

    (c) 상기 용기 튜브의 적어도 일부에 주입재를 채우는 단계

    를 포함하는,

    지중 냉매 배관 설치 방법.
21. 제20항에 있어서,

    주입재 공급용 튜브를 상기 용기 튜브에 분리가능하게 부착하는 단계를 추가로 포함하고, 상기 주입재 공급용 튜브를 이용하여 상기 용기 튜브 속으로 상기 주입재가 주입되는, 지중 냉매 배관 설치 방법.
22. 제21항에 있어서,

    상기 용기 튜브에 로프를 부착하고, 상기 로프를 사용하여 상기 용기 튜브를 상기 지표 밑 위치에 위치시키는 단계를 추가로 포함하는, 지중 냉매 배관 설치 방 법.
23. 제20항에 있어서,

    상기 지표 밑 위치는 우물 또는 보어홀인, 지중 냉매 배관 설치 방법.
24. 제20항에 있어서,

    상기 지표 밑 위치는 수역인, 지중 냉매 배관 설치 방법.
25. 제24항에 있어서,

    상기 용기 튜브에 표시구를 부착하는 단계를 추가로 포함하는, 지중 냉매 배관 설치 방법.
26. 제21항에 있어서,

    상기 주입재 속으로 제1 아이볼트의 하부를 매설함으로써, 상기 용기 튜브에 상기 제1 아이볼트를 부착하는 단계를 추가로 포함하며, 상기 제1 아이볼트의 상부에 상기 주입재 공급용 튜브가 분리가능하게 부착되는, 지중 냉매 배관 설치 방법.

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