KR20110002934A - 지열 교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열교환기에 관한 것으로, 그 구성은 내부가 밀폐된 형태의 원주 하단이 갓 형태로 돌출된 케이싱; 상기 케이싱의 외주면에 구비되는 외부 전열판; 상기 케이싱의 내주면을 따라 나선형태로 권치되는 내부 전열판; 및 상기 케이싱 상부에서 케이싱 내부로 인입된 제1 노즐과 제2 노즐;을 포함하여 이루어지며, 상기 제1 노즐은 상기 제2 노즐보다 길이 짧게 형성되게 한다.

지열, 케이싱, 일체형, 강재대류

Description

지열 교환기{GEOTHERMAL HEAT EXCHANGER}

본 발명은 지열 교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지열회수시 지하수를 직접 이용하지 않고 밀폐된 열교환기 내부에 저장되어 있는 냉각수를 이용하므로 수질오염을 일으키지 않으며, 제작 및 설치가 용이하여 비교적 적은 비용으로 중·소규모 건축물의 냉·난방에 지열을 적용할 수 있게 하는 지열 교환기에 관한 것이다.

에너지절감 및 화석연료 사용에 따른 지구온실가스 배출을 방지하기 위한 대안으로 냉난방을 위한 열원으로 비교적 연중안정적인 지열을 이용하고자 지열교환기의 보급이 활발히 이루어지고 있다. 지중으로부터 지열을 회수하는 종래 기술은 지하 관정을 파서 지하수를 직접 열원으로 이용하는 방법과 지하 100m이상 깊이로지공(Hole)을 뚫어서 지열 히트펌프 냉각수가 순환할 수 있는 폴리에틸렌 파이프를 수직으로 매설하여 토양과 열교환 시켜서 냉난방에 사용되는 지열을 회수하는 방법이 널리 사용되고 있다.

그러나 지하수를 직접 이용하는 방법은 열교환 손실이 없기 때문에 지열 회수성능은 뛰어 나지만 관정 굴착비용이 커지고, 특히 수질 오염을 일으킨다는 환경 오염문제 때문에 국제적으로 규제하는 추세에 있으며, 지하에 100m이상 지공을 뚫어서 폴리에틸렌 파이프를 매설하는 방법은 지공을 100m 이상 깊이 뚫어야 하는 관계로 폴리에틸렌 파이프 매설비용과 시공기간이 길어져서 비용이 커지기 때문에 330㎡ 이하의 중·소규모의 건축물에는 적용하기 어려운 문제점이 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명의 지열회수시 지하수를 직접 이용하지 않고 밀폐된 열교환기 내부에 저장되어 있는 냉각수를 이용하므로 수질오염을 일으키지 않으며, 제작 및 설치가 용이하여 비교적 적은 비용으로 중·소규모 건축물의 냉·난방에 지열을 적용할 수 있게 하는 지열 교환기를 제공함에 있다.

본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.

본 발명의 지열 교환기는, 내부가 밀폐된 형태의 원주 하단이 갓 형태로 돌출된 케이싱; 상기 케이싱의 외주면에 구비되는 외부 전열판; 상기 케이싱의 내주면을 따라 나선형태로 권치되는 내부 전열판; 및 상기 케이싱 상부에서 케이싱 내부로 인입된 제1 노즐과 제2 노즐;을 포함하여 이루어지며, 상기 제1 노즐은 상기 제2 노즐보다 길이 짧게 형성되게 한다.

또한 상기 외부 전열판은 상기 케이싱 외주면의 길이 방향으로 직선 형태로 구비되게 한다.

그리고 상기 외부 전열판은 상기 케이싱 외주면의 길이 방향으로 따라 나선형태로 권치되게 구비되게 한다.

또한 상기 내부 전열판은 케이싱 내부로 유입되는 유체에 와류 현상을 일으키게 한다.

그리고 지열 교환기는 케이싱 내부의 유체가 온도 교환에 따라 제1 노즐과 제2 노즐의 유입 방향 또는 토출 방향이 서로 전환되며 유체를 순환하게 하는 것이 바람직하다.

본 발명에 따르면, 지열회수시 지하수를 직접 이용하지 않고 밀폐된 열교환기 내부에 저장되어 있는 냉각수를 이용하므로 수질오염을 일으키지 않으며, 제작 및 설치가 용이하여 비교적 적은 비용으로 중·소규모 건축물의 냉·난방에 지열을 적용할 수 있게 하는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예들을 첨부된 도면을 참고하여 더욱 상세히 설명한다. 본 발명의 실시 예들은 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 설명하는 실시 예들에 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시 예들은 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 상세하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서 도면에 나타난 각 요소의 형상은 보다 분명한 설명을 강조하기 위하여 과장될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일체형 지열 교환기를 나타내는 단면도이며, 도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 일체형 지열 교환기의 작동상태를 나타내는 단면도이다.

본원 출원인이 출원한 특허출원 제10-2009-0034532호는 내부에 별도의 열교환 파이프를 통하여 전달된 열을 가지고 열교환기 내의 상·하부 유체의 온도차를 일으켜 유체가 케이싱 내를 자연대류 하면서 열 전달하는 방식은 길이가 길고 온도차가 적은 지열교환기에서는 이론과 달리 실제에서는 효율이 높지 않았다.

따라서 본 발명의 일체형 지열교환기는 지하수 오염방지와 성능향상을 위하여 다음과 같은 세 가지 방식을 적용하였다.

첫째 지하수를 직접 이용함으로써 발생하는 수질오염을 방지하기 위하여 밀폐된 파이프 일체형 열교환 케이싱에 의해 순환 방식을 사용하였다.

둘째 전열면적을 넓혀서 지열교환기의 열전달율을 높이기 위하여 케이싱 외부에 외부 전열판을 부착하고, 케이싱 내부에는 나선형태의 내부 전열판(30)을 부착하였으며, 내부 전열판은 유입된 냉각수에 와류를 형성하여 지열교환기의 열교환성능을 향상시키는 역할하게 하였다.

셋째 본 발명에서 지열교환기의 열교환 성능을 높이기 위하여 케이싱 내의 냉각수의 흐름이 냉·난방시 온도분포에 따라 원활하게 열전달이 이루어지도록 강제 대류 방식을 적용하였다.

도 1에 도시된 바에 의해 본 발명의 구체적인 구성을 보면, 일체형 지열교환기는 케이싱(10), 외부 전열판(20), 내부 전열판(30), 제1 노즐(40) 및 제2 노즐(50)으로 이루어진다.

상기 케이싱(10)은 원통 형태의 하단이 갓 형상을 하고 있어 지면에 매립시 용이하게 천공할 수 있게 하고 있으며, 상부는 플랜지(미도시)에 의해 차단된 형태로 내부가 비어 있다.

상기 외부 전열판(20)은 상기 케이싱(10)의 외주면에 케이싱의 길이 방향으로 따라 설치되는 판체 형태이다. 이 외부 전열판(20)은 케이싱(10) 길이 방향으로 직선 형태로 구비되거나 또는 외주면을 따라 권치되는 나선 형태 중 어느 하나를 선택적으로 적용할 수 있으나 지열의 효율적인 전달을 위해서는 나선 형태로 구성되는 것이 바람직하다.

상기 내부 전열판(30)은 상기 케이싱(10) 내주면을 따라 나선형태로 권치된 판체이다. 이 내부 전열판(30)은 나선형태는 케이싱 내부에 충진되는 유체를 선회시켜 와류가 발생되도록 하는 역할을 한다.

상기 제1 노즐(40)은 상기 케이싱(10) 외부로부터 내부로 짧은 거리로 인입된다. 즉, 상기 케이싱 내부로의 유체 이동에 지장이 없을 정도로만 케이싱에 인입되는 것이다.

상기 제2 노즐(50)은 상기 케이싱(10) 외부로부터 케이싱 내부 저면까지 인입되게 한다. 이때 상기 제2 노즐은 케이싱 저면에 대해 간섭되는 않는 정도로 유입되게 하는 것이 바람직하다.

또한 상기 제1 노즐 및 제2 노즐은 도면상에 도시하고 있지는 않지만 순환관로(미도시)에 의해 연결되어 있다.

예컨대 열교환 코일을 별도로 사용하지 않고 냉각수가 케이싱 내에서 직접 순환할 수 있도록 케이싱(10) 상부에는 제1 노즐을(40), 하부에는 제2 노즐(50)을 부착하여 냉방 시에는 도 2에 도시된 바와 같이 케이싱(10) 외부로부터 냉각수가 제1 노즐(40)을 통하여 케이싱(10) 내부로 유입되어 케이싱(10) 하부에 위치한 제2 노즐(50)을 통해 케이싱(10) 외부로 유출되며 난방시에는 도 3에 도시된 바와 같이 케이싱(10) 외부로부터 냉각수가 케이싱(10) 하부에 위치한 제2 노즐(50)을 통하여 케이싱(10) 내부로 유입되어 케이싱(10) 상부에 위치한 제1 노즐(40)을 통해 케이싱(10) 외부로 유출된다. 이러한 일련의 과정은 자동제어에 의해서 작동되는 냉각수 순환펌프(미도시)와 연동하여 이루어지게 함으로써 가능하게 된다.

본 발명은 상기에 기술된 실시 예들에 의해 한정되지 않고, 당업자들에 의해 다양한 변형 및 변경을 가져올 수 있으며, 이는 첨부된 청구항에서 정의되는 본 발명의 취지와 범위에 포함된다.

도 1은 본 발명의 일체형 지열 교환기를 나타내는 단면도.

도 2 및 도 3은 본 발명에 따른 일체형 지열 교환기의 작동상태를 나타내는 단면도.

<도면 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 케이싱 20 : 외부 전열판

30 : 내부 전열판 40 : 제1 노즐

50 : 제2 노즐

Claims (5)

1. 내부가 밀폐된 형태의 원주 하단이 갓 형태로 돌출된 케이싱;

   상기 케이싱의 외주면에 구비되는 외부 전열판;

   상기 케이싱의 내주면을 따라 나선형태로 권치되는 내부 전열판; 및

   상기 케이싱 상부에서 케이싱 내부로 인입된 제1 노즐과 제2 노즐;을 포함하여 이루어지며,

   상기 제1 노즐은 상기 제2 노즐보다 길이 짧게 형성되게 하는 것을 특징으로 하는 지열 교환기.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 외부 전열판은 상기 케이싱 외주면의 길이 방향으로 직선 형태로 구비되게 하는 것을 특징으로 하는 지열 교환기.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 외부 전열판은 상기 케이싱 외주면의 길이 방향으로 따라 나선 형태로 권치되게 구비되는 것을 특징으로 하는 지열 교환기.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 내부 전열판은 케이싱 내부로 유입되는 유체에 와류 현상을 일으키게 하는 것을 특징으로 하는 지열 교환기.
5. 제 1 내지 제 4항 중 어느 한 항의 지열 교환기는 케이싱 내부의 유체가 온도 교환에 따라 제1 노즐과 제2 노즐의 유입 방향 또는 토출 방향이 서로 전환되며 유체를 순환하게 하는 것을 특징으로 하는 지열 교환기.

Images