KR20150006881A

KR20150006881A - 동축 지열 교환기 및 상기 동축 지열 교환기를 지면 내에 설치하는 방법

Info

Publication number: KR20150006881A
Application number: KR20147034272A
Authority: KR
Inventors: 마띠아스 브로더
Original assignee: 브로더 에이지
Priority date: 2012-05-14
Filing date: 2013-03-27
Publication date: 2015-01-19
Also published as: EP2867595A2; EP2867595B1; JP6157600B2; CN104302989B; US10767903B2; RU2615884C2; KR102131329B1; WO2013170389A2; CH706507A1; CN104302989A; JP2015517643A; WO2013170389A3; RU2014150551A; CA2873071A1; CA2873071C; US20150068740A1

Abstract

본 발명은, 중앙 코어 튜브(11) 및 상기 코어 튜브로부터 외측으로 신장하는 환상 갭(15)을 한정하는 재킷 튜브를 가지고 있으며, 상기 코어 튜브 (11) 및 상기 환상 갭 (15)이, 유동가능한 열 전달 매체가 이들 사이를 흐르도록 설계되어 있는 상기 동축 지열 교환기에 있어서, 상기 교환기(10)의 설치 상태에서는, 상기 재킷 튜브가 지열 교환기 홀(1)의 벽(2)에 직접 인접하는 것을 특징으로 하는 동축 지열 교환기에 관한 것이다. 본 발명은 동축 지열 교환기(10)를 지열 교환기 시추공(1)에 도입하는 방법에 관한 것이다.

Description

동축 지열 교환기 및 상기 동축 지열 교환기를 지면 내에 설치하는 방법{Coaxial Ground Heat Exchanger and Method for Installing said Ground Heat Exchanger in the Ground }

본 발명은 장치 청구항 1의 전제부에 따른 동축 지열 교환기에 관한 것이다. 또한, 본 발명은 프로세스 독립 청구항의 전제부에 따라서 본 발명에 따른 동축 지열 교환기를 지하에 설치하기 위한 방법에 관한 것이다.

예견할 수 있는 화석 에너지의 부족 그리고 공기 오염물질 및 CO₂의 방출량 감소의 필요성은, 열원의 생성 및 재생 에너지와 같은 대체물, 특히 오염 물질이 없는 기술의 사용에 대해 재고하도록 이끌었다. 열원 생성에 있어서 특히 매력적인 유형은 하향공(downhole) 열원을 사용하는 것이다. 하향공 열원 또는 지열 에너지는 열의 형태로 저장된, 지표면 아래에 있는 에너지이다. 심지어는 지표면 아래 대략 10 내지 20m에서도, 토양은 전 시대에 걸쳐서 거의 일정한 온도를 가지며, 그리고 온도는 깊이가 깊어짐에 따라 증가한다. 상기 토양의 자연적 온도 구배는 깊이에 대해 대략 0.03 K/m 이다. 이 온도는 지구 내부로부터의 열속(heat flux)에 의해 결정된다. 열원의 회수는 일반적으로 지열 교환기에 의해서 수행되는데, 지열 교환기는 보통 50 내지 350m 깊이로 수직이며 그 내부가 빈틈없이 다시 채워진 홀(vertical, tight backfilled hole)에 끼워져 있다. 지열 교환기는 토양에 존재하는 민감한 열에너지를 교환기 내에서 순환하는 열 전달 매체로 전달하는 임무를 띠며, 이 매체는 상기 열에너지를 토양에서부터 지표면으로 운송한다. 여기서, 열에너지는 일반적으로 열 펌프에서 순환하는 제 2 열 전달 매체로 전달된다.

대부분의 경우에 있어서, 전통적인 지열 교환기는 U자형-튜브 교환기로서 설계되며, 교환기 내의 열 전달 매체는 어느 한 튜브 지점에 있어서 상기 표면에서부터 상기 지열 교환기 홀의 바닥(베이스, base)으로, 즉 상단부에서 바닥으로 흐른다. 다른 튜브 지점에서는, 순환하는 가열된 열전달 매체는 시추공(borehole) 베이스로부터 상기 표면, 즉, 바닥에서 상단부로 흐른다. 상기 열 전달 매체는, 상승할 때, 인접 튜브 지점에서 하향 순환하는 열 전달 매체 그리고 주위를 둘러싸고 있는 더 차가운 토양 쪽으로 항상 축적된 열에너지의 일부를 방출한다. 이러한 바람직하지 않은 열 방출의 결과로서, U자-튜브 열교환기의 엑서지 효율(exergetic efficiency)은 상대적으로 그다지 크지 않다. 상기 효율을 개선시키기 위해, 동축 지열 교환기가 종종 사용된다. 고리 모양의 외측 갭 (환상의 외측 갭) 내의 동축 지열 열교환기의 경우에 있어서, 상기 열 전달 매체는 상기 표면으로부터 상기 시추공 베이스로 흐르며, 그리고 열전달 매체는 토양에 존재하는 민감한 열에너지를 취하고 그리고 중앙 코어 튜브를 통해서 위쪽 표면으로 다시 거슬러서 흐른다. 이러한 동축 지열 교환기에서 상기 중앙 코어 튜브가 열적으로 절연된다면, 상기 엑서지 효율(exergetic efficiency)은 상기 U자형-튜브 교환기와 관련하여 상당히 증가될 수 있다.

지열 교환기의 공지된 다른 타입과 관련하여 절연된 코어 튜브를 가지는 깊숙이 뻗어있는(deep-reaching) 동축 지열 교환기가, 적용 가능한 열속(heat flux)의 품질과 관련하여 주요 엑서지 이점(exergetic advantage)을 가지는 한편, 이 동축 지열 교환기는 또한 불행하게도 상기 열 전달 매체의 압력이 크게 하강한다 라는 단점을 가진다. 상기 중앙 코어 튜브의 열적 절연의 횡단면 표면 영역 때문에, 상기 동축 지열 교환기의 재킷(jacket)튜브의 상대적으로 두꺼운 벽의 두께 때문에, 특히 상기 교환기의 재킷 튜브와 주위를 둘러싸는 토양 사이에 있는, 상기 교환기의 절연 후 주입되는 충진층(filing layer), 예를 들면 벤토나이트와 시멘트로 이루어지는 혼합물 때문에, 지열 교환기 홀의 이용 가능한 단면의 많은 부분이 손실되므로, 전술한 단점이 발생한다. 따라서 열 전달 매체의 수송을 위한 순수(net) 단면의 표면적은 크게 감소된다.

따라서 본 발명의 목적은, 열 전달 매체의 순환을 위해서는 보다 낮은 압력 강하를 가지며 그리고 상기 열 전달 매체에서 상기 주위를 둘러싸는 토양의 열에너지를 보다 높은 효율로 흡수하도록 하는, 동축 지열 교환기를 제공하는 것이다. 본 발명에 따른 동축 지열 교환기를 토양 내에 설치하는 방법도 제공되며, 상기 방법은 가능한 간단하며 경제적으로 구현되고 그리고 환경 그리고 물 보호 요건을 고려한다.

이들 목적들은 중앙 코어 튜브 및 상기 코어 튜브로부터 방사상으로 바깥쪽으로 신장하는 환상 갭(gap)의 범위를 정하는 재킷 튜브를 가지는 동축 지열 교환기에 의해 달성되며, 이에 의해 상기 코어 튜브 및 상기 환상 갭은 자유롭게 흐르는 열 전달 매체가 이들 사이에서 흐르도록, 설계된다. 본 발명에 따르면, 상기 지열 교환기가 설치된 상태에서 상기 동축 지열 교환기의 재킷 튜브는 지열 교환기 홀의 벽에 직접 인접한다.

본 발명의 기본 개념은, 상기 교환기가 설치된 상태에서, 상기 지열 교환기 홀의 벽과 상기 동축 지열 교환기의 재킷 튜브 사이의 환상 갭을 메운 것(backfilling)이 배출될 수 있는 정도까지 동축 지열 교환기를 변경하는 것이다. 상기 동축 지열 교환기는 상기 동축 지열 교환기가 상기 홀의 벽에 직접 인접하도록 설계된다. 그 결과, 열 전달 매체의 운송에 유용한 동축 지열 교환기의 단면 흐름은 상당히 확대된다. 상기 주변을 둘러싸는 토양에 포함된 열 에너지는 상기 동축 지열 교환기의 재킷 튜브를 통해서 열 전달 매체로 직접 전달된다. 따라서 충진물(material of the backfilling), 일반적으로 벤토나이트-시멘트 혼합물에 의한 손실이 방지된다. 상기 재킷 튜브는, 선택적으로 천공된 지하수 층들(water layers)이 서로 유압적으로 연결되는 것을 방지하기 위해, 상기 중앙 코어 및 상기 환상 갭에서 순환하는 상기 열 전달 매체에 의해, 지열 교환기 홀의 벽을 가압한다.

본 발명의 변형예는, 상기 코어 튜브 및 환상 갭을 열 전달 매체인 물로 씻어 내리도록 설계되는 것을 요구한다. 상기 열 전달 매체로서의 물의 사용은, 누설될 경우에도 물 그 자체가 오염을 유발하지 않으므로, 환경 및 물의 보호에 대한 추가 보호를 설명한다. 이것은, 오랫동안 지하수 보호라는 이유로 제한 영역으로 취급되었던 영역에서도 본 발명에 따른 동축 지열 교환기를 사용할 수 있도록 하게 한다.

본 발명의 유용한 변형예는, 상기 동축 지열 교환기의 재킷 튜브가 상승된 내부 압력에 의해 확장될 수 있는 '호스와 같은 커버링(hose-like covering)'에 의해 형성될 것을 요구한다. 따라서 상기 열 에너지 전달을 위한 가능한 양호한 접촉을 얻기 위해서, 그리고 나아가 신뢰할 수 있는 방식으로, 천공된 지하수면(water table)을 봉인하기 위해서, 상기 호스와 같은 커버링의 확장 가능성 및 탄성은 후자를 상기 지열 교환기 홀의 벽에 이상적으로 압박하는 것을 가능하게 한다.

상기 동축 지열 교환기를, 예를 들면 대략 450m이며, 1500m의 깊이에 까지 이를 수 있는 지열 교환기 홀 내에 설치하는 것을 용이하게 하기 위해서, 본 발명의 다른 변형예는, 상기 지열 교환기 홀에 동축 지열 교환기를 도입한 후에, 상기 호스와 같은 커버링이 접힌 상태에서 상기 호스와 같은 커버링이 상기 코어 튜브를 둘러싸며 그리고 상기 호스와 같은 커버링이 안정적인 최종 형태로 과압(overpressure)으로 공급되는, 자유롭게 흐르는 매체에 의해 확장될 수 있는 것을 요구한다. 이 경우에 있어서 확장된 커버링은 추가적으로 상기 홀을 안정화시키는 "스텐트(stent)"의 기능을 수행한다.

본 발명의 다른 변형예에 있어서, 상기 지열 교환기가 제공되어서 상기 홀의 직경보다 더 큰 펼쳐진 직경(unfolded diameter)을 가지는 호스와 같은 커버링에 의해, 상기 동축 지열 교환기의 재킷 튜브를 형성하는, 설치되어 펼쳐지고 또는 확장된 덮개가, 완전히 충진된 상태에서는, 항상 약간 안쪽으로 접힌 부분을 가지게 되며, 이에 의해 덮개가 결과적으로 불규칙한 형태가 되는 것이 달성된다. 이들 접힌 부분은 상기 홀 벽의 추가적 강성을 발생시킨다. 한편 동시에 발생하는 상기 환상 갭의 부피 감소는 오직 미미하고, 그러나 동작에 있어서는 열 전달 매체에 대한 유동 저항(flow resistance)에 대한 영향은 거의 미치지 않는다.

또한, 열 전달 매체, 특별하게는 물과 관련하는 상대적인 최대 과압을 초과할 때, 특정 장소에 따라서 적어도 투과성이 있는 것으로 한정되는, 상기 동축 지열 교환기의 상기 호스와 같은 커버링이 제공될 수 있다. 그 결과로서, 이것은 확장된 후의 커버링이 파손되어 틈이나 케비티가 생기는 것을 막는데, 상기 틈이나 케비티는 상기 지열 교환기 홀을 만들 때 더 큰 재료의 벌지(bulge) 때문에 때때로 생길 수 있다. 보다 작은 케비티는 외측 재킷을 통해 눌려져 나온 물로 채워진다. 빈 틈새 또는 보다 큰 케비티의 경우에 있어서, 이 관점에서 과압에 의해 유도된 상기 커버링의 물에 관련한 침투성은 후자가 밀봉 방식으로 신뢰성 있게 상기 홀 벽에 인접할 정도로만 확장된다는 것을 확실하게 한다. 이 경우에 있어서, 상기 커버링은 상기 틈새 또는 케비티에서 오직 한정된 정도로만 확장된다; 따라서 상기 재료의 과도한 확장은 방지된다. 이 경우에 있어서의 상기 커버링 재료는, 물이 커버링을 흐를 때까지 달성되어야만 하는 상대적인 최대 과압이, 대략 2바아 내지 3바아가 되도록, 설계된다. 이 경우에 있어서 물에 관한 상기 커버링의 제한된 침투성은, 상기 지열 교환기가 설치된 상태에서는 단단한 토양 내, 특히 돌이 많은 하층토에 위치되는 영역으로 적절하게 제한된다. 푸석푸석한 토양(loose soil)과 인접하는, 표면에 근접한 영역은 물이 침투되지 않는 방식으로 설계된다. 지열 교환기 홀을 만들 때, 상기 푸석푸석한 토양 및 돌이 많은 하층토 간의 제한은 매우 정교하게 결정될 수 있기 때문에, 지열 교환기는 상기 로컬 조건에 정확하게 필적될 수 있다.

상기 동축 지열 교환기의 다른 변형예에 있어서, 상기 중앙 코어 튜브와 외측의 호스와 같은 커버링이 서로에 대해 통합적으로 연결되며, 그리고 이들은 끝없는 롤(endless rolls)의 형태가 된다. 생성된 지열 교환기 홀로 도입시키기 위해서, 상기 동축 지열 교환기는 드럼으로부터 바람직한 길이로 펼쳐질 수 있다. 건설 현장에서는, 상기 코어 튜브 그리고 바람직하게는 접혀진, 커버링의 제공되는 통합적 배치만이 상기 지열 교환기 홀로 도입되어야만 한다. 이를 위해서, 상기 동축 지열 교환기는 드럼으로부터 바람직한 길이로 용이하게 펼쳐진다. 드럼에 배치된 길이가 충분하지 않다면, 상기 지열 교환기의 추가적으로 필요한 길이는 상기 지열 교환기 홀에 삽입하기 이전 또는 삽입하는 도중에 다른 드럼으로부터 펼쳐질 수 있으며 그리고 선단 포인트에서 제 1 섹션의 단부에 단단히 연결되어 필요한 길이를 만든다.

대안으로서, 또한 상기 중앙 코어 튜브 및 상기 통합적으로 관련된 호스와 같은 커버링이 길이 방향으로 절단된 구역에 존재하는 동축 지열 교환기가 제공된다. 길이 방향으로 절단된 구역은, 상기 지열 교환기 홀로 도입하는 동안에, 유체-밀봉 방식(fluid-tight manner)으로 서로 연결될 수 있다. 이 변형예는 덜 유연하거나 또는 단단한 교환기 튜브의 경우에 특히 사용된다.

상기 동축 지열 교환기의 또 다른 변형예에 있어서, 상기 중앙 코어 튜브와 상기 확장 가능한 호스와 같은 커버링은 서로에 대해 분리되어 존재한다. 이 경우에 있어서, 상기 커버링은 평평한 끝이 없는 롤로 형성되고, 이는 상기 중앙 코어 튜브를 도입하는 동안에만 후자와 병합되며, 이에 의해 상기 호스와 같은 커버링의 길이 방향의 가장자리는 유체가 기밀하게 채워지는 방식으로 상호 연결된다.

상기 호스와 같은 커버링을 형성하는 끝이 없는 롤의 길이 방향 측면의 유체-밀봉 연결(fluid-tight connection)은, 예를 들면, 이 목적을 위해 특별히 설계된 연결 장치에서 인접 영역을 재봉 및/또는 열-밀봉함에 의해 만들어진다.

상기 지열 교환기의 재킷 튜브를 형성하는 호스와 같은 커버링은 유리하게는 플라스틱 복합 필름으로, 상기 필름은 대략 3mm 내지 15mm의 벽 두께를 가질 수 있다. 상기 플라스틱 복합 필름의 순수 무게를 지탱하기 위해서는 최대 길이 약 450m에서는 3mm의 벽 두께가 충분하다. 이에, 보다 긴 길이의 상기 동축 지열 교환기에서는, 상기 호스와 같은 커버링을 위한 보다 큰 벽 두께가 선택된다. 외측 커버링은 오직 작은 부피만을 차지하지만, 확장된 상태에서는 그것은 충분히 큰 고유 안정성을 가진다.

본 발명의 변형예는 상기 커버링이 확장된 알루미늄 금속으로 만들어지며, 양 측면에 확장 가능한 플라스틱 부재가 부착된 외장(armoring)을 가질 것을 요구한다. 상기 플라스틱 부재는, 예를 들면, 폴리에틸렌, 라텍스, 고무 또는 유사 물질로 이루어지며 그리고 마이크로 천공된다.

본 발명의 바람직한 변형예에 있어서, 중앙 코어 튜브는 열적으로 절연된 케이싱으로 둘러싸인다. 상기 열적으로 절연된 케이싱은, 상기 코어 튜브에서 상승하는 가열된 열 전달 매체가, 상기 환상 갭쪽 아래로 흐르는 열 전달 매체로 그의 열을 부분적으로 다시 방출하는 것을 막는다. 그 결과로서, 상기 동축 지열 교환기의 열효율은 증가될 수 있다.

동축 지열 교환기를 상기 토양 내에 설치하기 위한 본 발명에 따른 방법에 있어서, 종래 기술에서 공지된 바와 같이, 먼저 지열 교환기 홀을 드릴링 장치를 이용하여 만든다. 상기 홀의 깊이는 예를 들면 300 m 내지 500 m이며, 최대 1500 m에 이를 수 있다. 다음으로, 본 발명에 따라 설계된 동축 지열 교환기가 준비된 홀 내로 하강된다. 상기 동축 지열 교환기가 도입된 후, 절연제로 마련된 코어 튜브를 둘러싸며 그리고 동시에 상기 동축 지열 교환기의 재킷 튜브의 경계벽을 형성하는 , 접힌 제 1 호스와 같은 커버링이 본질적으로 홀 벽에 인접하도록 확장된다. 본 발명의 방법에 있어서, 상기 동축 지열 교환기는 동축 지열 교환기의 재킷 튜브의 경계벽을 동시에 형성하는, 외측의 호스와 같은 커버링이 상기 홀 벽에 직접 인접하도록 지열 교환기 홀 내에 설치된다. 그 결과로, 종래 기술의 지열 교환기에서는 다시 채워져야만 했던, 상기 재킷 튜브의 경계벽과 상기 홀 벽 사이의 환상 갭이 방지된다. 따라서, 본 발명의 방법에 있어서, 보통은 벤토나이트와 시멘트의 복합물인 충진제를 주입하기 위한 단계는, 필요하지 않게 된다. 상기 확장된 커버링에 의해 형성된 재킷 튜브의 경계벽과 상기 홀 벽 사이의 직접 접촉은 토양으로부터 상기 동축 지열 교환기에서 순환하는 열 전달 매체로 열에너지를 전달하는 것을 촉진시키며, 본 발명에서 열 전달 매체는 바람직하게는 물로 형성된다. 충진층(backfilling layer)의 제거에 의해서, 열 전달 매체를 순환시키는데 유용한 횡단면 흐름은 종래 기술의 지열 교환기와 관련하여 상당히 확대된다. 그 결과로서, 상기 동축 지열 교환기의 길이에 걸쳐서 아주 작은 압력 강하만이 일어나며, 이는 상기 열 전달 매체 재활용을 위한 에너지 비용에 직접적으로 유리한 영향을 미친다.

상기 동축 지열 교환기를 상기 지열 교환기 홀에 도입하기 위해서, 접힌 외측 커버링은 매우 얇은 필름으로 둘러싸일 수 있다. 상기 매우 얇은 필름은, 상대적으로 낮은 과압에서 금이 가서 상기 제 1 접힌 커버링이 펴지게 되도록 설계된다.

본 발명에 따른 방법의 변형예에서, 상기 동축 지열 교환기의 접힌 호스와 같은 커버링의 확장은 압축 공기를 이용하여 이루어진다. 이 경우에 있어서, 상기 접힌 커버링은, 상기 동축 지열 교환기의 중앙 코어 튜브에 의한 과압과 함께 공급되는 압축 공기에 의해 완전한 직경이 되게 팽창된다. 상기 중앙 코어 튜브의 앞쪽 단부에는, 조절 가능한 열원, 바람직하게는 적외선 라디에이터(infrared radiator)가 배열된다. 영역에서 짧은 기간 동안 상기 팽창된 호스와 같은 커버링을 가열하기 위해, 상기 중앙 코어 튜브는 상기 시추공 베이스로부터 상기 표면으로 조절 가능한 속도로 당겨진다. 가열된 영역에서의 상기 커버링 재료의 과압 및 낮은 강도 때문에 소성 변형이 일어난다. 이 경우에 있어서, 상기 커버링 재료는 상기 홀 벽의 작은 케비티로 눌려져 들어간다. 보다 차가운 토양과의 열 접촉 때문에, 상기 커버링 재료는 그의 임계 유동 온도 아래로 떨어지고 그리고 그 형태를 유지한다. 다음으로, 상기 코어 튜브는 다시 그의 원래 위치로 하강된다.

상기 확장된 커버링이 상기 홀 벽 내의 큰 케비티의 영역에서 과대 확장되는 것을 방지하기 위해, 본 발명의 변형예는 상기 호스와 같은 커버링에 배열될 영역에서의 확장 또는 벌깅(bulging)을 측정하기 위한 센서를 필요로 한다. 경계값에 도달하면, 상기 열원의 이동 속도는 증가된다, 즉, 상기 열원은 결과로 되는 상기 소성 변형을 제한하기 위해서 표면 방향으로 더욱 빨리 움직인다. 따라서 상기 커버링 내에 배열된 센서는 상기 커버링의 소성 변형 조절을 가능하게 한다. 그 결과로서, 과도한 벌깅에 의한 상기 커버링의 손상이 방지된다.

상기 토양 내에 동축 지열 교환기를 설치하는 다른 방법은, 상기 동축 지열 교환기의 접힌 호스와 같은 커버링의 확장이, 상기 중앙 코어 튜브 및 접힌 커버링 사이의 상기 환상 갭에서 위에서부터 채워지는 물로써 수행될 것을 요구한다. 이 방법은 특히 열 전달 매체로 사용되는 동축 지열 교환기에 적합하다. 이 경우에 있어서, 상기 호스와 같은 커버링의 확장 또는 펴짐에 처음으로 사용되는 물은, 또한 열 전달 매체로서도 사용될 수 있다. 상기 호스와 같은 커버링의 확장은 상기 표면 방향으로 상기 시추공 베이스로부터 위쪽으로 수행된다. 상기 홀의 하단 영역에서의 압력은 상단에서의 것 보다 크다. 상기 호스와 같은 커버링을 펴서 부피를 증가시킴으로써, 대부분의 경우에서 상기 커버링과 상기 홀 벽 사이에 위치하는 물이 상기 표면 방향으로 눌려진다. 보다 큰 케비티 영역에 있어서, 상기 커버링은 더욱 확장하고 부분적으로는 상기 케비티로 관통한다. 2 바아 내지 3 바의 상대적인 과압에 기인하는 상기 커버링 물질은 공급된 물에 대해 부분적으로 투과성을 가지므로, 물은 상기 동축 지열 교환기로부터 상기 케비티로 빠져 나올 수 있다. 그 결과로, 상기 커버링 재료의 과도한 확장이 방지된다.

물로써 확장하는 방법의 변형예는, 상기 중앙 코어 튜브가 상기 표면까지 완전히 채워지고 그리고 대기 기간 이후에, 상기 중앙 코어 튜브 내의 물 기둥에 가해진 압력이 약 12 바아 내지 약 15 바아의 과압까지 계속적으로 또는 단계적으로 증가될 것을 요구한다. 상기 대기 기간은 몇 분에서부터 2일까지 지속될 수 있다. 상기 대기 기간은, 상기 홀 벽에 있는 보다 작은 케비티가 침투성있는 재킷을 통해서 배출되는 물로써 완전히 채워지고 그리고 상기 케비티 내에 포함된 공기를 배출시키기 위해서, 필요한 것이다. 물론, 보다 큰 케비티 또는 속이 빈 틈은 물로써 완전히 채워질 수 없다. 여기서는, 상기 커버링이 제한된 범위로 상기 케비티 또는 틈으로 부풀려져 들어가는 것이면 충분하다. 상기 커버링을 원하는 정도까지 확장시키기 위해서 과압이 잠시 동안 유지된다. 시간은 30초, 최대 1과 1/2시간일 수 있다. 상기 중앙 코어 튜브내의 물 기둥에 미치는 압력의 뒤따르는 증가 때문에, 상기 호스와 같은 커버링이 상기 홀 벽에 계속해서 단단하게 눌려진다. 접힌 부분은 매끈하게 되거나 또는 부분적으로 압축된다. 그 결과로서, 상기 커버링 재료는 이런 점에서 신장된다, 즉 누설 없이 소성 변형된다. 상기 케비티 내의 비압축성 물 그리고 상기 커버링의 투과성은 또한 상기 커버링의 강한 변형을 방지한다. 상기 케비티 내에 있는 물의 압력이 상기 커버링 재료의 압력 때문에 너무 크다면, 물은 다시 이 압력을 상쇄하기 위해서 투과성의 커버링 재료를 통해서 상기 중앙 코어 튜브와 상기 호스와 같은 커버링 사이의 환상 공간으로 흐를 수 있다.

열적-절연 케이싱이 제공된 중앙 코어 튜브, 및 본래의 접힌 상태로부터 확장된 상태로 변환되는 호스와 같은 커버링을 가지는 본 발명에 따라 설계된 동축 지열 교환기는, 열 전달 매체로서 물을 사용하여 동작할 때에 특히 적합하며, 상기 호스 같은 커버링은 동시에 상기 동축 지열 교환기의 재킷 튜브를 형성하고 그리고 상기 동축 지열 교환기의 설치 상태에서는 지열 교환기 홀의 벽에 인접한다. 열 전달 매체로서의 물은, 상기 동축 지열 교환기로부터 고의적으로 또는 우발적으로 나오게 되는 경우에도 오염을 일으키지 않는 이점을 가진다. 그 결과로서, 본 발명의 동축 지열 교환기는 또한, 지하수 보호라는 논리로 오랫동안 제한된 영역으로 취급되었던 영역에서 사용하기에 특히 적합하다.

발명의 부가적인 이점들 및 특징들은 개략적 도면을 참조하여 후속하는 실시예들의 설명으로부터 이해된다. 설명에 있어서, 축척비율은 실제는 아니다. :
도 1은 종래 기술에 따른 지열 교환기를 사용하여 온수를 준비하는 원리를 보여준다.
도 2는 지열 교환기 홀을 보여준다.
도 3은 열적-절연된 중앙 코어 튜브 및 재킷 튜브를 구비한 종래 기술에 따른, 홀에 배치된 동축 지열 교환기의 단면도를 보여준다.
도 4는 지열 교환기 홀 내에 배열되되 열적-절연된 중앙 코어 튜브 및 확장 가능한 호스 같은 커버링을 구비하는, 본 발명에 따른 동축 지열 교환기의 횡단면을 보여준다.
도 5는 설치 방법을 설명하기 위해 부분적으로 확장된 호스 같은 커버링을 가지며, 상기 홀 내에 하강되어 있는 동축 지열 교환기의 개략적 묘사를 보여준다.

도 1 내지 도 5의 설명에 있어서, 동일 요소 또는 성분은 동일 번호가 사용된다.

도 1의 개략적 단면도는, 빌딩 B의 난방 예에 있어서 공지의 지열 교환기 기술의 원리를 보여준다. 이를 위해서, 약 50 내지 350m의 지열 교환기 홀 (1)에서 사용되는 지열 교환기(5)는, 공급관(6)을 통해서 열 펌프(7)에 연결된다. 상기 열 펌프(7)는 상기 빌딩(B)의 난방 시스템(8)에 필요한 양의 온수를 제공한다. 상기 홀(1)에서 사용된 상기 지열 교환기(5)는 그 내부에서 유체가 순환하는 열 교환기이다. 서술된 실시예에 따르면, 상기 지열 교환기(5)는 폴리에틸렌으로 만들어진 4개의 교환기 튜브를 가지며, 이들은 각각의 경우에 쌍으로 조립되어 U-튜브를 형성하고 그리고 상기 공급관(6)에 의해 상기 열 펌프(7)에 연결된다. 상기 교환기 튜브는, 예를 들면 32 mm 또는 40 mm의 직경을 가진다. 상기 지열 교환기(5)는 상기 홀의 베이스(3)로 밀어 넣어져 있다. 상기 지열 교환기(5)의 교환기 튜브와 홀 벽(2) 사이의 양호한 열적 접촉을 확보하기 위해서, 상기 지열 교환기(5)와 상기 홀 벽(2) 사이에 남아 있는 속이 빈 공간은, 일반적으로 벤토나이트와 시멘트의 혼합물로 이루어지는 충진제(4)로서 치밀하게 채워진다. 충진제(4)로서, 충분히 양호한 열 전달을 확보할 수 있는 다른 물질도 또한 적당하다. 예를 들면, 물이 충진제로서 사용되는 방법이 또한 공지된다. 상기 교환기 튜브 내에서 순환하는 유체, 대부분의 경우 15 내지 35% 비율의 부동액을 가지는 물은, 하층토(G)로부터 지열을 추출하여 이 지열 에너지를 상기 열 펌프(7)에 공급한다. 그리고 상기 열 펌프(7)를 이용하여, 상기 온도는 난방 목적에 필요한 수준으로 상승된다. 도 1은 또한, 상기 하층토(G)가 대부분의 경우에 표면에 근접한 부드러운 흙(S)과 단단한 돌이 많은 지층(R)으로 이루어졌음을 나타낸다. 홀의 깊이에만 의존하는 가장 안정된 온도 조건이 돌이 많은 지층에서 발생되기 때문에 상기 지열 교환기 홀(1)은 상기 단단한 돌이 많은 지층(R)까지 뚫려 있다.

도 2는 지열 교환기 홀(1)의 축방향 단면도를 개략적으로 보여준다. 또한 상기 홀 벽은 참조 번호 2로 표시된다. 상기 시추공 베이스에는 참조 번호 3이 부여된다. 상기 지열 교환기 홀(1)의 직경은, 예를 들면 약 7.62 cm 내지 15.24 cm (3－6 인치)이다. 한편, 상기 하층토는 G로 언급된다. 상기 하층토가 컴팩트하고, 균일하고 그리고 건조상태라면, 열적-절연된 중앙 튜브는 상기 지열 교환기 홀(1)로 용이하게 하강될 수 있다. 상기 중앙 큐브의 벽 및 상기 바위는 환상 갭의 경계를 정하며, 상기 환상 갭은 열 전달 매체로 충진될 수 있고, 흡수된 열 에너지를 표면에서 열 교환기를 통해 열 펌프로 방출하기 위해서 열 전달 매체는 가열된 상태에서 상기 절연된 중앙 튜브에 의해 상기 표면으로 운송될 수 있다. 차가워진 열 전달 매체는 다시 시추공 베이스(3)의 방향으로 운송된다. 실제에 있어서, 지열 교환기는 컴팩트한 돌이 많은 층에 이르는 것이 아니며; 오히려, 예를 들면, 오랜 기간 동안 혼합되지 않아야 했던 상이한 지하수면(L,W)을 포함하여, 푸석푸석하고 그리고 다소 단단한 토양의 다양한 지층을 통과한다. 예를 들면, 지하수면(L)은 식수 저장소로 역할을 하는 깨끗한 지하수를 포함하는 반면 지하수면(W)은 오염된 물을 포함할 수 있다. 상기 홀 벽(2)은 때때로 벌기(bulges) 및 케비티(9)를 가지며, 이는 물의 침출 작용에 의해 더욱 확대될 수 있다. 따라서 지열 교환기의 설치에 있어서, 서로 다른 지하수면이 상호 안정적으로 분리될 수 있고, 그리고 벌기 및 케비티(9)가 안정화되어서 이들이 더 이상 확대될 수 없도록 되어야 하는 점이, 반드시 고려되어야만 한다.

U-튜브 쌍을 가지는 도 1에 나타난 상기 지열 교환기에 외에도, 동축 지열 교환기 또한 종래 기술로 공지되어있다. 도 3의 횡단면은 하층토(G) 내의 지열 교환기 홀(1) 안에 설치된 동축 지열 교환기(10')의 개략적인 횡단면을 보여주는 것이다. 동축 지열 교환기는 열적 절연체(12')가 마련되어 있는 중앙 코어 튜브(11')를 가진다. 상기 열적-절연된 중앙 코어 튜브(11')는 재킷 튜브(14')로 둘러싸여 있다. 상기 재킷 튜브(14')의 벽은, 상기 절연체(12')의 외부 벽과 상기 재킷 튜브(14')의 벽 사이에서 뻗어있는 환상 갭(15')의 경계를 정한다. 상기 홀 벽(2)과 상기 재킷 튜브(14')의 외측 벽 사이에 존재하는 환상 갭에는 통상적으로 벤토나이트와 시멘트의 혼합물인 충진제(16)가 충진된다. 상기 충진제는 상기 홀 벽(2)을 안정화시키는 목적을 가져서 신뢰할 수 있는 방식으로 상이한 지하수면을 서로에 대해 분리하며, 그리고 지하에 존재하는 열 에너지를 상기 동축 지열 교환기(10')내에서 순환하는 열 전달 매체로 전달하는 가장 최적의 운송을 제공한다. 개략적으로 설명하면, 상기 충진제가 상기 시추공 횡단면의 1/3까지 점유하므로 열 전달 매체에 유용한 횡단면 흐름이 상기 지열 교환기 홀의 실질적인 횡단면과 비교하여 상대적으로 작다는 것은 바로 명백하다. 공지의 지열 교환기(10')의 동작 동안에, 이는 상기 교환기의 길이에 걸쳐서 증가된 압력 강하를 초래하고 그리고 이것으로부터 열 전달 매체의 순환을 위한 상대적으로 높은 에너지 소요 경비를 초래한다. 특히 상기 충진제(16)를 위한 주입 단계의 필요 때문에 종래 기술의 동축 지열 교환기(10') 설치를 위한 소요 경비는 상대적으로 높다.

도 4는 도 3과 유사한 본 발명에 따른 동축 지열 교환기의 개략적인 횡단면 묘사를 보여준다. 각 경우에서, 동일 구성 요소에는 도 3에서와 유사하게, 어퍼스트로피 "'"없는 동일 참조번호가 사용된다.

참조 번호 10이 부여되는 본 발명에 따른 동축 지열 교환기는 지열 교환기 홀(1)로 하강된다. 동축 지열 교환기(10)는 열적 절연체(12)로 둘러싸인 중앙 코어 튜브(11)를 가진다. 참조 번호 14는 도 4에서 접힌 상태(folded state)로 도시된, 확장 가능한 호스 같은 커버링(hose-like covering)을 지칭한다. 접힌 부분은 참조 번호 17이 마련된다. 확장된 상태에서, 상기 호스 같은 커버링(14)은 상기 지열 교환기 홀(1)의 벽(2)에 직접 인접한다. 상기 커버링(14)와 상기 홀 벽(12) 사이에서 펼쳐지기 전에 존재하는 갭(16)은 상기 커버링이 확장되는 동안에는 사라지고, 상기 커버링은 상기 동축 지열 교환기(10)의 상기 재킷 튜브를 형성하며, 이는 이제는 상기 홀 벽(2)에 직접 인접한다. 상기 갭(16)을 충진제로 채우는 것은 반드시 필요한 것은 아니다. 상기 충진제가 제거된 후, 종래 기술의 동축 지열 교환기에서 보다 상당히 큰 횡단면 표면 영역이, 상기 동축 지열 교환기(10)를 통해서 흐르는 열 전달 매체를 위해서, 남는다. 그 결과로, 코어 튜브(11)가 사용될 수 있는데, 상기 코어 튜브의 자유 횡단면(13)은 상기 지열 교환기 홀(1)의 횡단면 표면 영역의 더 큰 비율을 가진다. 호스 같은 커버링(14)의 확장 상태에서, 상기 열적 절연체 및 상기 커버링(14) 사이의 상기 환상 갭(15)은 또한 자연적으로 종래 기술의 동축 지열 교환기의 경우에서 보다도 더 큰 횡단면 표면 영역을 가진다.

상기 동축 지열 교환기(10)의 재킷 튜브를 형성하는 상기 호스 같은 커버링(14)은 유리하게는 플라스틱 복합 필름이며, 그리고 상기 동축 지열 교환기의 길이에 의존하는데, 대략 3 mm 내지 15mm의 벽 두께를 가진다. 최대 약 450m의 길이에 있어서, 상기 플라스틱 복합 필름의 순 무게를 견디기 위해서는 3mm의 벽 두께가 충분하다. 상기 동축 지열 교환기가 보다 긴 경우에 있어서는, 상기 호스 같은 커버링을 위한 보다 큰 벽 두께가 선택된다. 상기 외부 커버링은 적은 부피를 점유할 뿐만 아니라, 확장된 상태에서는 충분히 큰 고유 안정성을 가진다. 또한, 상기 플라스틱 복합 필름의 작은 벽 두께는 상기 하층토(G)로부터 상기 동축 지열 교환기(10)내에서 순환하는 상기 열 전달 매체로 열이 전달되는 것을 촉진시킨다.

본 발명의 각종 실시예는, 상기 커버링(14)이 확장된 알루미늄 금속으로 만들어지며, 양 측면에 확장 가능한 플라스틱 부재가 부착된 외장(armoring)을 가질 것을 요구한다. 상기 플라스틱 부재는, 예를 들면, 폴리에틸렌, 라텍스, 고무 또는 유사 물질로 이루어지며 그리고 마이크로 천공된다. 확장된 금속은 내부 압력에 의해 원하는 범위로 변형되고, 상기 커버링(14)은 요구된 안정성을 잃게 된다. 본 발명의 다른 변형예는, 상기 외측 커버링이 중앙 내부 튜브 상에 배열된, 전개 가능한 핀(fin) 또는 아암(arm)을 통해서 상기 내부 튜브에 연결되는 것을, 제공할 수 있다. 상기 핀 또는 아암은 상기 내부 튜브의 주위 및 그의 길이에 걸쳐서 분포 배열된다. 이들은 상승된 내부 압력에 의해 펼쳐질 수 있으며, 그리고 펼쳐진 상태에서는 안정된 종료 위치를 차지한다. 추가로, 이들은 상기 외측 커버링을 방사상으로 지지하고 충돌을 방지한다.

도 5는, 본 발명에 따라 설계된 동축 지열 교환기(10)가 삽입되어 있으며 시추공 베이스에 근접해 있고, 그리고 상기 홀(1) 내에 상기 교환기를 설치하는 방법을 설명하기 위해 사용되는, 지열 교환기 홀(1)의 단면을 보여준다. 예를 들면 대략 450 nm이고 최대 1,500m의 깊이의 홀을 가지는 상기 지열 교환기를 만든 후, 본 발명에 따른 동축 지열 교환기(10)가 도입되고 그리고 상기 홀(1)의 베이스(3)로 밀어 넣는다. 상기 동축 지열 교환기(10)는 상기 시추공 베이스(3)과 대면하는 단부에 교환기 헤드(20)를 가지고 있으며, 이 헤드는 열적-절연된 중앙 코어 튜브(11) 그리고 확장 가능한 호스 같은 커버링(14)에 연결되며, 상기 커버링은 상기 동축 지열 교환기(10)를 하강시키는 동안에 접혀진 상태로 존재한다. 상기 교환기 헤드(20)에 있어서, 유속 채널(미도시)이 마련되며, 이는 상기 내부 튜브(11)와 상기 커버링 사이에서 상기 내부 튜브와 상기 환상 갭을 연결한다. 다른 지점에서 이미 언급한 것처럼, 상기 지열 교환기(10)는 끝없는 롤(roll) 형태가 되거나 또는, 소정 길이로 절단된 조립 부품 형태로 마련될 수 있으며, 상기 조립 부품들은 상기 지열 교환기 홀로의 유입 동안에 유체-밀봉 방식(fluid-tight manner)으로 상호 연결된다. 마침내, 상기 열적-절연된 중앙 코어 튜브(11) 그리고 확장 가능한 호스 같은 커버링(14)는 또한 서로에 대해 분리된 상태로 존재할 수 있다. 이 경우에 있어서, 상기 커버링은 끝없는 평판 롤로 형성되고, 상기 중앙 코어 튜브를 도입할 때 롤에 병합되어, 이에 의해 상기 호스 같은 커버링의 종방향 가장자리가 유체-밀봉 방식으로 연결된다. 상기 교환기 헤드(20)는 무게 때문에 상기 동축 지열 교환기를 하향으로 잡아 당기고 그리고 중앙 코어 튜브 (11)의 연신 취출 위치를 제공함으로써 동축 지열 교환기(10)의 도입을 용이하게 한다.

상기 동축 지열 교환기의 설치 방법의 제 1 변형예에 있어서, 상기 교환기 헤드(20)가 상기 지열 교환기 홀(1)의 베이스에 도달한 후, 상기 열적-절연된 중앙 코어 튜브(11)와 상기 접혀 있는 커버링(14) 사이의 환상 갭은 위에서부터 물로 서서히 채워진다. 이 경우에 있어서, 접혀 있는 커버링(14)은 바닥에서부터 확장하여 상기 홀 벽(2)을 강하고 누른다. 상기 호스 같은 커버링(14)의 부피 팽창 때문에, 상기 커버링(14)과 상기 홀 벽(12) 사이의 중간 공간(16)에 위치한 물이 서서히 위쪽으로 힘을 받는다. 상기 홀 벽(2)이 예를 들면, 케비티(9)를 가진다면, 적어도 벌깅(bulging, 18)으로 케비티를 부분적으로 채우기 위해서 상기 호스 같은 커버링(14)은 부분적으로 케비티로 침투한다. 큰 케비티(9) 및 틈으로 상기 커버링(14)이 과대 확장되거나 또는 나아가 파손되는 것을 막기 위해서, 상기 호스 같은 커버링(14)는, 물이 약 2 바아 내지 3 바아의 상대적인 압력차이로부터 움직이는 위치에 적어도 있도록, 침투성 있게 한정된다. 이 과압(overpressure)이 상기 커버링(14)에 존재하는 즉시, 물은 상기 커버링(14)를 통해서 상기 케비티(9)로 방출된다. 보다 작은 케비티는 이 방식에 의해 물로 채워진다. 그 결과로서, 더 이상의 커버링의 벌깅(부풀게 되는 것)이 방지된다. 보다 큰 케비티 또는 틈이 있는 경우에는, 상기 케비티 또는 틈에서는 상기 커버링(14)의 제한된 벌깅만이 생기며, 이에 의해서 케비티 또는 틈은 가장자리에서 신뢰성 있게 봉인된다. 상기 커버링은 표면 근처 영역에서는 방수되는 방식으로 그리고 확장된 상태에서는 푸석푸석한 토양에 일반적으로 인접하도록 적절하게 설계된다.

상기 커버링(14)의 확장된 외측 직경은 상기 지역 교환기 홀(1)보다 다소 큰 것으로 선택된다; 예를 들면, 상기 직경 차이는 대략 3% 내지 10% 이다. 그 결과로서, 물로 완전히 채워진 후, 상기 호스 같은 커버링(14)은, 여전히 작고 안쪽으로 향하며 그리고 불규칙한 방식으로 배열된 접힌 부분(folds)을 항상 가진다. 이들 접힌 부분은 상기 커버링(14)의 추가적 강화를 확보하게 한다. 또한 상기 중앙 코어 튜브(11)가 물로 채워진 후, 그리고 약 5 분 내지 48시간의 기간을 대기한 후, 상기 코어 튜브(11) 내의 물 기둥에 가해진 압력은 대략 12 바아 내지 15 바아의 과압(overpressure)까지 계속해서 증가되고 그리고 대략 30초, 최대 1시간 반의 시간 동안에 유지된다. 상기 대기 기간은, 상기 홀 벽(2) 내에서 발견된 어떤 작은 케비티(9)가 상기 커버링(14)의 내부로부터의 물로 완전히 채워져서 상기 케비티 내에 포함된 공기를 배출하기 위해, 필요한 것이다. 보다 큰 케비티 또는 틈이 있는 경우에는, 그것은 케비티 또는 틈으로의 상기 커버링의 제한된 확장만을 초래할 뿐이다.

상기 코어 튜브(11) 내의 물 기둥에서의 압력 증가 때문에, 상기 커버링(14)은 상기 홀 벽(2)을 더욱 강하게 누른다. 여전히 존재하는 상기 접힌 부분은 일부분은 평탄하게 펴지고, 일부분은 압축된다. 이러한 점에서, 상기 커버링 재료는 파손 없이 길어진다, 즉 소성 변형된다. 그 결과로, 상기 동축 지열 교환기(10)의 재킷 튜브를 형성하는 확장된 커버링(14)의 고유의 강성이 증가된다. 상기 커버링(14)와 상기 홀 벽(2) 사이의 케비티(9) 내의 비압축성 물은 이러한 점에서 상기 커버링(14)의 과대 확장 및 누설을 방지한다. 거기에 위치된 물의 압력이 상기 케비티(9)로의 상기 커버링(14)의 압력 때문에, 너무 크게 상승하면, 이 물은 상기 커버링(14)을 통해서 상기 케비티(9)로부터 상기 환상 갭(15)으로 흐른다. 상기 케비티(9)의 가장자리를 상기 커버링(14)이 강하게 누르게 되어 신뢰성 있는 밀봉이 얻어지고 그리고 다양한 대수층에서의 지하수의 수직 순환이 방지된다. 상기 홀 벽(2)을 누르는 상기 커버링(14)는 상기 홀 벽(2)을 안정화시키고 그리고 재료의 추가적 벌깅을 방지한다. 상기 홀 벽(2)에 직접 인접하며 그리고 여전히 접힌 부분을 제공하는 상기 커버링은 하층토(G)로부터 열 전달 매체로의 열에너지 전이를 촉진시킨다. 상기 지열 교환기(10)가 전술한 방법으로 상기 홀 내에 설치된 후에, 상기 열 펌프의 열 교환기에 연결되어 동작될 수 있다. 상기 부어 채워져 있는 물은 상기 동축 지열 교환기(10)에서 열 전달 매체로 작용한다. 중간에 연결된 압력 용기(미도시)는 상기 동축 지열 교환기에 있어서, 약 2 -3의 과압이 항상 유지되는 것을 확실하게 한다.

본 발명에 따라 설계된 동축 지열 교환기를 설치하는 방법의 변형예에 있어서, 접혀있는 상기 제 1 호스 같은 커버링(14)는 물 대신 압축 공기로써 확대된다. 상기 접혀있는 호스 같은 커버링(14)는 과압에 의해 그것의 전체 직경에까지 팽창된다. 이런 관점에서, 압축 공기는 예를 들면 상기 중앙 코어 튜브(11)를 통해 공급된다. 상기 코어 튜브의 앞 단부에, 열원, 예를 들면 적외선 라디에이터(infrared radiator)가 부착된다. 상기 후자(적외선 라디에이터)는 상기 코어 튜브(11)와 함께 상기 시추공 베이스로부터 상기 표면상으로 서서히 당겨진다. 서서히 상승된 열원 때문에, 과압에 의해 확대된 커버링(14)는 소정 영역에서 가열된다. 과압 및 가열에 의해 감소된 상기 커버링 재료의 강도 때문에, 소성 변형이 일어난다. 따라서 상기 커버링 재료는 상기 홀 벽(12)을 단단히 누르고 그리고 작은 모공과 금(score)으로 침투한다. 상기 커버링 재료는, 보다 차가운 하층토와 열적으로 접촉하기 때문에, 다시 급속히 임계 유동 온도 이하로 떨어진다. 상기 코어 튜브의 앞 단부에 부착된 상기 열원은 제어된 속도로 위로 당겨진다. 보다 큰 케비티(9)의 영역에서의 상기 커버링 재료의 과도한 확장을 막기 위해, 상기 커버링의 확장 정도를 모니터링하는 센서가 상기 커버링 내에 배열된다. 상기 커버링(14) 확장의 경계값에 이른다면, 열원은 더욱 빠르게 당겨진다. 그 결과로서, 문제가 되는 영역의 소성 변형은 제한된다. 추가로, 보다 큰 케비티(9)와 틈새는 많은 경우에 있어서 물로 채워진다. 물은 비압축성이며 따라서 상기 커버링(14)가 과도하게 벌깅되는 자동적으로 방지한다. 상기 커버링의 넓힘 및 변형이 완료된 후, 상기 코어 튜브는 다시 상기 시추공 베이스에 잔존하는 교환기 헤드로 다시 밀어 넣어진다. 상기 동축 지열 교환기(10)가 이와 같은 방식으로 상기 홀(1) 내에 장착된다면, 상기 지열 교환기는 상기 열 전달 매체, 적당하게는 물로 채워질 수 있으며 그리고 열 교환기 및 열 펌프에 연결될 수 있다. 또한 압력 용기도 중간에서 연결되어서 상기 동축 지열 교환기에서, 대략 2-3 바아의 과압이 항상 유지된다.

상기 동축 지열 교환기를 상기 지열 교환기로 용이하게 도입시키기 위해서, 접혀진 외측 커버링이 매우 얇은 필름에 의해 둘러싸일 수 있다. 상기 얇은 필름은, 필름이 상대적으로 낮은 과압에서 갈라져서 상기 접혀진 제 1 커버링이 펼쳐지는 것이 가능하도록 설계된다.

위에서 좀더 상세히 설명된 동축 지열 열교환 변형예 및 지열 교환기 홀에 이들을 장착하는 인용된 방법의 변형예들은, 본 발명을 설명하는 역할을 한다. 본 발명의 일반적인 사상은 이에 한정되는 것은 아니며, 어떠한 방식으로도, 이와 동등한 실시예를 배제하는 것도 아니다.

Claims

중앙 코어 튜브(11) 및 상기 코어 튜브로부터 외측으로 신장하는 환상 갭(15)을 한정하는 재킷 튜브를 가지고 있는 동축 지열 교환기로서, 상기 코어 튜브 (11) 및 상기 환상 갭 (15)이, 자유-유동(free-flowing) 열 전달 매체가 이들 사이를 흐르도록 설계되어 있는 상기 동축 지열 교환기에 있어서, 상기 교환기(10)의 설치 상태에서는, 상기 재킷 튜브가 지열 교환기 홀(1)의 벽(2)에 직접 인접하는 것을 특징으로 하는 것인, 동축 지열 교환기.
청구항 1에 있어서, 상기 재킷 튜브는 상승된 내부 압력에 의해 확장될 수 있는 호스와 같은 커버링(14)에 의해 형성되는 것인, 동축 지열 교환기.
청구항 2에 있어서, 상기 호스와 같은 커버링(14)은 시추공 열 교환기 홀(1)에 도입된 후 접힌 상태에서는 상기 코어 튜브를 둘러싸며 그리고 과압(overpressure)으로 공급된 자유-유동 매체에 의해 안정된 최종 형상이 되는 것인, 동축 지열 교환기.
청구항 3에 있어서, 상기 호스와 같은 커버링(14)은 상기 지열 교환기(10)에 제공된 상기 지열 교환기 홀(1)의 직경보다 큰 펼쳐진 상태의 직경을 가지는 것인, 동축 지열 교환기.
선행하는 청구항들 중의 어느 하나에 있어서, 상기 코어 튜브(11) 및 상기 환상 갭(15)은 열 전달 매체로서의 물로 씻어 내리도록 설계되는 것인, 동축 지열 교환기.
청구항 2 내지 5 의 어느 하나에 있어서, 상기 호스와 같은 커버링(14)은, 상기 열 전달 매체, 특히 물에 관한 상대적인 최대 과압을 초과할 때 소정 장소에서 적어도 침투성이 있는 것으로 한정되는 것인, 동축 지열 교환기.
청구항 6에 있어서, 상기 상대적인 최대 과압은 약 2 바아 내지 3바아인 것인, 동축 지열 교환기.
청구항 6 또는 7에 있어서, 상기 설치 상태에서 상기 표면에 근접하며 상기 푸석푸석한 토양에 인접하는 상기 호스와 같은 커버링의 일부 영역은 비침투성 방식으로 설계되는 것인, 동축 지열 교환기.
청구항 3 내지 8 중의 어느 하나에 있어서, 상기 중앙 코어 튜브(11) 및 상기 확장 가능한 커버링(14)은 서로에 대해 통합적으로 연결되어 끝없는 롤(endless rolls)로 존재하며 그리고 상기 지열 교환기 홀(1)로의 도입을 위한 적당한 길이로 드럼으로부터 펼쳐질 수 있는 것인, 동축 지열 교환기.
청구항 3 내지 8 중의 어느 하나에 있어서, 상기 중앙 코어 튜브(11) 및 상기 통합적으로 연결된 확장 가능한 커버링(14)은 소정 길이로 절단된 조립 부품으로 존재하고, 그리고 상기 조립 부품들은 상기 지열 교환기 홀(1)로의 유입 동안에 유체-밀봉 방식(fluid-tight manner)으로 상호 연결되는 것인, 동축 지열 교환기.
청구항 3 내지 8 중의 어느 하나에 있어서, 상기 중앙 코어 튜브(11) 및 상기 확장 가능한 커버링(14)은 상호 독립하여 존재하며, 상기 확장 가능한 커버링(14)은 끝없는 평판롤에 의해 형성되고 상기 중앙 코어 튜브(11)의 도입 도중에만 후자에 병합될 수 있으며, 상기 커버링(14)의 길이방향의 가장자리는 유체-밀봉 방식으로 상호 연결되는 것인, 동축 지열 교환기.
청구항 10 또는 11에 있어서, 상기 유체-밀봉 연결은 봉제 및/또는 가열 밀봉에 의해 수립될 수 있는 것인, 동축 지열 교환기.
선행하는 청구항들 중의 어느 하나에 있어서, 상기 확장 가능한 커버링(14)은 플라스틱 복합 필름으로 형성되며, 상기 플라스틱 복합 필름은 약 3mm 내지 약 15mm의 벽 두께를 가지는 것인, 동축 지열 교환기.
선행하는 청구항들 중의 어느 하나에 있어서, 상기 커버링은 확장된 알루미늄 금속으로 만들어지며, 양 측면에 확장 가능한 플라스틱 부재가 부착된 외장(armoring)을 가지며, 상기 부재는 바람직하게는 폴리에틸렌, 라텍스, 고무 또는 이와 유사한 재료로 구성되며 그리고 마이크로 천공되어 있는 것인, 동축 지열 교환기.
선행하는 청구항들 중의 어느 하나에 있어서, 상기 중앙 코어 튜브 (11)가 열적-절연 케이싱(12)에 제공되어 있는 것인, 동축 지열 교환기.
처음에 지열 교환기 홀(1)을 드릴링 장치로 만들고 그리고 다음에 동축 지열 교환기(10)를 상기 마련된 홀(1) 내로 하강시켜서, 동축 지열 교환기를 토양 내에 설치하는 방법으로서, 상기 동축 지열 교환기(10)를 도입한 후, 상기 동축 지열 교환기(10)의 재킷 튜브의 경계벽을 동시에 형성하는 제 1 접힌 호스와 같은 커버링(14)이, 상기 지열 교환기 홀(1)의 벽에 본질적으로 인접하는 방식으로, 확장되는 것인, 동축 지열 교환기 설치 방법.
청구항 16에 있어서, 상기 동축 지열 교환기의 상기 접힌 호스와 같은 커버링(14)의 확장은 바람직하게는 상기 교환기의 중앙 코어 튜브(11)에 의해 공급되는 압축 공기에 의해 수행되며, 그리고 조절 가능한 열원, 바람직하게는 적외선 라디에이터는 상기 중앙 코어 튜브(11) 상에 배열되며, 상기 적외선 라디에이터는 소정 지역에서 단기간 동안 상기 확장된 커버링(14)을 가열하기 위해 상기 시추공 베이스(3)로부터 상기 표면까지 조절 가능한 속도로 이동될 수 있는 것인, 동축 지열 교환기 설치 방법.
청구항 17에 있어서, 소정 지역에서의 확장을 측정하기 위한 센서는 확장 가능한 커버링(14) 상에 배열되며, 그리고 상기 열원의 이동 속도는 상기 커버링 재료의 측정된 확장에 기초하여 실행되는 것인, 동축 지열 교환기 설치 방법.
청구항 16에 있어서, 상기 동축 지열 교환기(10)의 접힌 커버링(14)의 확장은 상기 코어 튜브(11)와 상기 접힌 커버링(14) 사이에서 위로 도입되는 물에 의해 수행되는 것인, 동축 지열 교환기 설치 방법.
청구항 19에 있어서, 상기 중앙 코어 튜브(11)가 상기 표면까지 완전히 채워진 후, 그리고 약 5 분 내지 48시간의 대기 시간 후, 상기 동축 지열 교환기 (10)내에서 상기 중앙 코어 튜브(11) 내의 물 기둥에 가해진 압력이 계속 또는 단계적으로 약 12 바아 내지 약 15바아의 과압까지 증가되고 그리고 약 30초 내지 1과 1/2 시간의 시간 주기 동안 유지되는 것인, 동축 지열 교환기의 설치 방법.
열적 절연 케이싱(12)에 제공된 중앙 코어 튜브(11) 및 본래의 접힌 상태에서 안정된 확장 상태로 변환되는 호스와 같은 커버링(14)을 가지는 동축 지열 교환기(10)에 있어서, 상기 커버링은 재킷 튜브를 형성하며 그리고 상기 동축 지열 교환기(10)의 설치 상태에서 열 전달 매체인 물로써 지열 교환기 홀(1)의 벽을 직접 인접하는 것인, 동축 지열 교환기의 작동 방법.