KR20160060049A - 혼합부재를 구비한 지열 프로브 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지열 프로브(10)와 지면 사이의 열을 교환하기 위한 지열 프로브(10)에 관한 것으로서, 상기 지열 프로브(10)에는 작동 상태에서는 열전달 유체가 배치되며, 인입관 내측 표면(16)을 구비한 인입관(12) 및 상기 인입관(12)내에 배치되며 인출관 외측 표면(19)을 구비한 인출관(18)을 포함하며, 상기 인입관 내측 표면(16)과 상기 인출관 외측 표면(19) 사이에는 상기 열전달 유체가 층류를 형성하며 흐르도록 고리 형상 공간(15)이 형성되고, 적어도 둘 이상의 혼합부재(20)가 상기 고리 형상 공간(15) 내에서 상호 이격되어 배치되며, 상기 혼합부재(20)는 상기 열전달 유체의 층류와 혼합 사이의 반복적인 변환을 야기한다.

Description

혼합부재를 구비한 지열 프로브{GEOTHERMAL PROBE WITH MIXING ELEMENTS}

본 발명은 접지 프로브(earth probe)라고도 불리는 지열 프로브(geothermal probe)에 관한 것으로서, 상기 지열 프로브가 작동 상태로 배치되어 있을 때 열전달 유체(heat exchanging fluid)와 상기 지열 프로브 주위의 지면 사이의 열을 교환하기 위해서 제공되는 지열 프로브에 관한 것이다. 여기서, 본 발명은 인입관(inlet pipe) 내에 배치된 인출관(outlet pipe)를 구비한 대용량의 동축 지열 프로브에 대한 것이다.

지열 브로브는 U자 형태 또는 동축을 가진 형상으로 구성될 수 있다. U자 형상의 지열 프로브는 지면의 내부로 내려가는 인입관을 포함하며, 상기 인입관의 하단은 유체를 전달할 수 있는 방식으로 연결 영역으로 연결되어 인출관과 연결된다.

열전달 액체(heat transfer liquid)라고도 불리는 열전달 유체는 인입관을 타고 흘러 내려가서, 상기 연결 영역에서 합쳐져서 인출관으로 흘러가 상기 인출관을 타고 다시 흘러 올라간다.

동축 지열 프로브에서는, 상기 인입관은 프로브 외측 파이프이고, 상기 인출관은 상기 프로브 외측 파이프 내측에 배치된 프로브 내측 파이프이다.

상기 프로브 내측 파이프의 외측 및 상기 프로브 외측 파이프의 내측에는 고리 형상의 공간이 존재한다. 이 고리 형상의 공간은 또한 열교환 공간이라고도 불리며, 열 교환 영역을 형성한다.

이러한 경우, 상기 프로브 외측 파이프는 상기 프로브 내측 파이프와 동축으로 배치된다. 동축 지열 프로브와 연결되는 연결 영역은 상기 프로브 내측 파이프의 개구부에 의해 형성되어, 이러한 경우 상기 고리 형상의 공간 내부 또는 상기 프로브 외측 파이프 내부에 위치한 열전달 유체가 상기 프로브 내측 파이브 내부로 흘러 들어갈 수 있도록 한다.

상기 지열 프로브를 통과하면서, 상기 열전달 유체와 지면 사이의 열 교환이 이루어진다. 이러한 열 교환은 실질적으로 대류에 의해서 발생한다. 열이 방출될 것인지 또는 흡수될 것인지의 여부는 상기 지열 프로브가 냉각 과정에 사용될 것인지 또는 가열 과정에 사용될 것인지의 여부에 따라 결정된다. 이를 위해, 통상적인 지열 프로브는 지표면 내부 100미터 깊이에까지 설치되며, 개별적인 경우 그보다 깊이 설치되기도 한다.

상기 열교환 유체는 인입부를 통해 상기 지열 프로브 내로 유입된다. 인입부를 통해 열교환 유체가 상기 지열 프로브 내로 유입되면, 일반적으로 상기 열교환 유체는 압력에 의해 상기 지열 프로브의 전체 길이를 2회 통과하게 되는데, 인입부 방향으로 내려가면서 한 번 통과하고, 인입부의 반대 방향으로 인출관을 따라 올라가면서 다시 한번 통과하게 된다.

시간 단위마다 상기 지열 프로브를 통과하며 전달되는 열전달 유체의 양을 체적 유량(volumetric flow rate)라고 부른다. 상기 지열 프로브의 하단에서 상기 열전달 유체는 다시 한번 상측으로 유도되어 프로브 내측의 인출관을 통과하여 올라가 배출부를 통해 배출된다. 상기 프로브 내측 파이프는 또한 인입부와 연결되어 있을 수 있으며, 상기 프로브 외측 파이프도 배출부와 연결되어 있을 수 있다.

상기 지열 프로브 내측을 향해 흐르는 열전달 유체의 온도와 상기 지열 프로브 외측을 향해 흐르는 열전달 유체의 온도의 온도 차이를 유체 내 온도 기울기(temperature gradient in the flowing)라고 부른다. 열 흐름 또는 열 방출, 즉, 간단히 말해 열(heat)은, 열원(heat reservoir)으로서의 지면(round)으로부터 추출된다.

상기 지열 프로브가 100미터 길이 또는 깊이 이하에 설치된 경우에는, 유입되는 열전달 유체와 배출되는 열전달 유체 사이의 온도 기울기는 일반적으로 대략 10도 이하가 되며, 유입 온도는 -2°C 에서 1°C 사이이고, 배출 온도는 2°C 에서 5°C 사이가 되는 것이 통상적이다.

이 경우의 온도 기울기는 상대적으로 낮은 편이며, 상기 지열 프로브에서 배출되는 열전달 유체의 온도는, 예를 들어, 주거 공간을 난방 하기 위해서 요구되는 온도 요건에 해당되지는 못한다.

그러나, 이러한 열 방출은 열 펌프(heat pump)의 도움으로 활용 가능하게 될 수 있는데, 열 펌프의 효율은 상기 열전달 유체에 의해 공급되는 열 방출이 난방에 필요한 열로 얼마나 효율적으로 전환되는가를 보여준다.

열 펌프에서, 공급되는 열 방출은 낮은 온도 수준에서 제2유체 순환로인 증발기 내에 위치한 열 매개체를 증발시키기 위해 사용된다. 이러한 경우, 상기 증발기 내에서 상기 지열 프로브로부터 추출된 열이 낮은 온도 수준에서 상기 열 펌프로 공급된다. 이를 위해, 상기 지열 프로브에서 배출되는 열전달 유체는 열교환기를 통과하여 흘러서, 그의 열을 상기 제2유체 순환로에 전달하게 된다.

그 다음, 상기 열 매개체는 펌프로 공급되고, 펌프는 현재 가스 상태인 열 매개체를 압축하여 보다 높은 압력 수준으로 올려놓는다. 이러한 과정에서, 상기 가스 상태의 열 매개체는 가열되고, 이러한 열은 주거 공간을 난방하기 위해서 활용될 수 있다. 자신의 열을 주거 공간에 전달하는 과정에서, 상기 열 매개체는 냉각되며 응결된다. 공기 흡입 장치 내에서, 압력은 다시 낮은 압력 수준으로 완화된다. 열 매개체는 다시 열 펌프의 증발기로 공급되어 열 펌프로 전달된다.

그러나, 상기와 같이 기능하지 않는 다른 형태의 열 펌프들도 존재한다. 이러한 열 펌프들 역시 본 분야에서 통상의 지식을 가진 당업자들에게 잘 알려져 있다. 상기의 열 매개체 자체가 상기 지열 프로브를 통과하며 순환할 경우에는, 상기 지열 프로브의 열전달 유체는 생략될 수도 있다. 본 발명은 두 개의 분리된 순환로를 구비한 지열 프로브에만 국한되는 것은 아니다.

통상적으로, 다수의 지열 프로브들이 하나의 지열 프로브 열 순환로에 적용되는데, 이는 활용 가능한 지열 프로브의 온도차가 일반적으로는 상기 제2유체 순환로 내의 열 매개체를 증발시키기 위해서 적합하지 않기 때문이다. 지열 프로브가 열을 지면으로부터 흡수하기에 적당하고 열 펌프의 작동의 일부를 담당하기는 하지만, 그럼에도 불구하고 통상적인 지열 프로브의 열전달 유체의 배출가(discharge value)에서 얻을 수 있는 온도 기울기를 늘리고자 하는 요구는 여전히 존재한다.

일반적으로는, 열전달 유체의 배출가가 높아지면 열 펌프가 배출가(즉, 열전달 유체의 온도) 와 요구되는 열 사이의 온도차를 낮은 수준에서 다룰 수 있게 되기 때문에, 효율이 향상된다고 알려져 있다.

예를 들어, 독일의 지면 온도는 15미터 깊이에서부터 일년 내내 대략 10°C 정도로 일정하며, 30미터씩 깊어질수록 대략 1°C씩 상승한다.

보다 구체적으로, 70미터 미만의 길이를 가진 지열 프로브의 경우, 열 교환이 충분히 효율적으로 일어나지 않기 때문에, 도달할 수 있는 배출가가 부적절하게 되는 경우가 빈번하게 발생한다.

지열 프로브는 열전달 유체가 손실 없이 가능한 한 오랫동안 도달한 온도를 유지할 수 있을 때 유리하며, 특히 다수의 지열 프로브가 직렬로 연결되어 있을 때 장점이 있다. 특히, 대용량의 지열 프로브들이 이에 적합하다.

보다 큰 미터 용량의 경우, 보다 높은 온도에 도달하기 위해서는 보다 다량의 열이 요구된다. 그러나, 요구되는 온도에 일단 도달하게 되면 같은 이유로 보다 장기간의 온도 안정성을 제공한다.

대용량 지열 프로브는 인입관의 내측 직경이 인 입관의 내측 표면에 의해 한정되며 인출관의 외측 직경은 인출관의 외측 표면에 의해 한정되는 특징을 가지고 있으며, 고리형 공간 내에 10 ℓ 이상의 미터 용량을 확보하도록 선택되고, 열전달 유체는 더 이상의 어려움 없이 상기 고리형 공간 내에서 실질적인 층류를 형성한다.

흐름이 층을 형성하는지 여부는 흐름 경로의 기하학적 구조, 열전달 유체의 점도 및 유속에 달려 있다. 레이놀즈 수(Reynolds number)라고 불리는, 흐름 내에서 난류가 발생하는 시점에 관한 수치는 이로부터 구해진다.

유속이 높을수록 임계 레이놀드 수가 빨리 초과된다는 것은 일반적으로 사실이다. 낮은 유속에서는 층류 또는 층류에 근접한 흐름이 반드시 형성된다. 또한, 낮은 유속에서의 열전달 유체는 인입관 내측 표면에서 열을 흡수하는 시간을 더 가지게 된다.

그러나, 불균일한 온도의 층류 또는 층류에 근접한 흐름 층이 형성되기 때문에, 층류는 단점으로 볼 수도 있다. 불균일한 온도의 층은 수직으로 흐르며, 따라서 인입관 내측 표면과 평행하게 흐른다. 여기서, 인입관 내측 표면과 가까운 층일수록 더 온도가 높게 되며, 이는 보다 내측에 있는 층의 절연체로서 작용한다.

본 발명의 일 목적은 열전달 유체와 열원 사이의 열교환을 개선하여 지열 프로브 열 순환로의 효율을 향상시키는 것이다. 또한, 본 발명의 목적은 법적으로 제한된 굴착 심도의 허용 영역 내에서의 지열 프로브의 효율적인 사용을 가능하게 하는 것이다.

본 발명의 목적은 청구항 1의 특징을 가지고 있는 지열 프로브를 통하여 해결된다. 본 발명의 추가적인 장점 및 특징들은 하위 청구항들로부터 얻을 수 있다.

또한, 지열 프로브 열 순환로 및 지열 프로브 열 순환로를 작동하기 위한 방법이 청구된다. 청구항 내에서 개별적으로 언급된 특징들은 기술적이고 실용적인 어떠한 방식으로든 조합될 수 있으며, 이는 본 발명의 추가적인 구성이 될 수 있음을 주지하여야 한다. 첨부된 도면과 연계하여 본 발명의 특징이 구체적으로 설명된다.

본 발명에 따른 지열 프로브는 작동 상태에서는 지면에 매설되며, 상기 지열 프로브 내의 열전달 유체와 지면 사이의 열을 교환하는 기능을 하도록 작동된다. 상기 지열 프로브는 상기 열전달 유체가 상기 지열 프로브 및 지면 내부로 유입되는 인입관 및 상기 열전달 유체가 배출되는 인출관을 포함한다. 일반적으로, 상기 열전달 유체는 인입부를 통해서 상기 인입관 내로 유입되며, 지구 내부를 향하는 상기 인입부의 방향을 인입 방향(흐름 방향)이라고 부른다.

본 발명에 따르면, 상기 인출관은 상기 인입관 내부에 배치되어, 인입관 내측 표면과 인출관 외측 표면 사이에 고리 형상 공간이 형성되도록 하며, 상기 열전달 유체는 상기 고리 형상의 내부로 흘러들어간다.

본 발명에 따른 지열 프로브 내의 열 교환은 상기 인입관 내부에서 일어난다. 본 발명은 대용량의 지열 프로브에 관한 것이며, 여기서 상기 대용량 지열 프로브의 직경은 층류가 일반적으로 발생되는 크기의 상기 인입관 내측 표면에 의해 정의될 수 있다.

상기 인출관 외측 표면에 의해 정의되는 상기 인출관의 외측 직경은 일반적으로 고리 형상 공간 내에 8ℓ 이상의 미터 용량이 수용되도록 선택될 수 있다. 바람직하게는, 상기 인입관 내측 표면에 의해 정의되는 직경은 120 mm 이상이고, 상기 고리 형상 공간의 미터 용적은 12ℓ 이상일 수 있다.

특히 상기 열전달 유체의 대략적인 층류와 혼합 사이의 반복적인 변환이 효율적인 열교환을 야기한다는 사실이 발견되었다. 본 발명에 따른 지열 프로브에서는, 상기 열전달 유체는 층류를 형성하며 상기 인입관 내부를 흐른다.

상기 지열 프로브는 상기 인출관(18)의 세로축을 따라 상기 고리 형상 공간 내에서 상호 이격되어 배치된 적어도 둘 이상의 혼합부재를 더 포함한다. 이 경우, 상기 혼합부재들 사이의 거리는 상기 열전달 유체가 하나의 혼합부재를 통과한 다음 다시 잔잔해지며, 그리고 다음의 혼합부재와 부딪치기 전에 층류가 다시 형성될 수 있도록 선택된다.

일반적으로, 상기 혼합부재들 사이의 거리는 1m 내지 2.5m, 바람직하게는 1.5 m 내지 2 m일 수 있으며, 이러한 수치에는 규모의 순위가 고려되어야 하며, 이상적인 거리를 결정하기 위해서는, 유속, 인입관의 내측 직경, 인출관의 외측 직경 및 열전달 유체의 점성 등이 고려되어야 한다는 것을 주지하여야 한다.

이 시점에서, 실제로는 순수한 층류, 즉, 난류가 전혀 형성되지 않는 층류란 존재하지 않으며, 이것이 본 명세서에서 거의 층류(almost laminar flow) 또는 실질적인 층류(substantially laminar flow) 등의 용어가 사용된 이유라는 것을 주지하여야 한다. 본 발명의 실질적인 측면에서는, 상기 혼합부재 사이의 흐름이 완벽하게 다시 안정되어야만 할 필요는 없으며, 흐름이 안정화되고 다시 거의 층류가 될 수 있다면 충분하다.

혼합부재는 외측 가장자리, 내측 가장자리 및 두 개의 자유단 들을 각각 구비한 적어도 둘 이상의 부분 고리 원반을 포함하며, 상기 부분 고리 원반의 범위는 상기 외측 가장자리, 내측 가장자리 및 두 개의 자유단들에 의해 정해진다. 상기 부분 고리 원반들은, 모든 방식, 예를 들어, 용접 또는 주조에 의해, 상기 상기 인출관에 연결될 수 있다.

따라서, 상기 혼합부재의 구성요소들은 상기 인출관과 동일한 재질, 바람직하게는 열가소성 수지로 제작될 수 있다. 결과적으로, 상기 부분 고리 원반 역시 상기 인출관에 쉽게 연결될 수 있다.

유리한 구성으로는, 상기 혼합 부재들은, 상기 혼합 부재들 사이의 거리들을 상기 지열 프로브의 특정 과업들 각각에 맞출 수 있도록 하기 위하여, 상기 고리 형상 공간 내에 가변적으로 배치될 수 있다.

예를 들어, 상기 지열 프로브의 열전달 유체는 각각 다를 수 있으며, 이에 따라 이상적인 혼합 부재들 사이의 거리도 달라질 수 있다. 혼합 부재는 예를 들어 슬리브(sleeve)를 포함할 수 있으며, 상기 슬리브를 통하여 부분 고리 원반들이 상기 인출관 외측 표면 상에 배치될 수 있다. 내측 스레드(thread)를 구비한 보어(bore)들이 상기 인출관의 세로축을 따라서 상기 인출관 외측 표면 내에 형성되어 상기 슬리브를 결속하도록 기능할 수 있다. 또한, 그러브 나사(grub screw)가 상기 혼합부재들을 고정하기 위해서 채용될 수 있다. 일단 상기 혼합부재들 사이의 거리들이 확정되면, 이들 그러브 나사 또한 상기 인출관에 용접될 수 있다.

본 발명에 따르면, 상기 부분 고리 원반은 상기 인입관 내측 표면과 이격되어 있으며, 상기 부분 고리 원반은 상기 인입관 내측 표면은 고리 형상 간격을 형성한다. 상기 열전달 유체는 이 고리 형상 간격을 통과하며 흐를 수 있다. 일반적으로, 이 고리 형상 간격은 1 - 12 mm, 특히 4 - 8 mm 에 해당할 수 있다.

상기 자유단들의 각각은 인접한 부분 고리 원반의 자유단들 중 하나와 이격되어 배치된다. 또한, 인접한 부분 고리 원반들은 상기 인출관의 직교 평면에 대하여 서로 다른 사선으로(differently obliquely) 배치된다. 실질적으로 이격된다는 것은 두 개의 인접한 부분 고리 원반들의 자유단들 사이에 각각 개구부가 형성된다는 것을 의미하며, 이러한 개구부를 통과하여 수직 성분의 유로가 상기 인출관의 세로축을 따라 흐른다.

부분 고리 원반들의 구성과 배치에 따라서, 규모에 있어서 상이한 상기 유로의 수직 성분은 상기 인출관 외측 표면을 직접적으로 따라서 흐른다. 예를 들어, 상기 부분 고리 원반들은 반원형의 표면으로 구성되어, 각각의 경우 부분 고리 원반의 자유단들은 상호간에 180°의 각도를 포함한다.

그러나, 다른 원형 세그먼트 부분들도 생각해볼 수 있다. 만일 부분 고리 원반의 자유단들에 포함되어 있는 상기 각도가 180° 이하이면, 상기 인출관 외측 표면을 직접적으로 따라 흐르는 수직 성분을 포함하는 상기 유로의 성분은 증가한다.

상기 사선으로 기립한 부분 고리 원반들은 상기 부분 고리 표면의 전반 및 상기 인출관의 주변에 회전 성분을 가진 추가적인 유로의 형성을 유발한다. 정상에서 보면, 상기 혼합 부재의 흐름 방향으로, 상기 열전달 유체는, 상기 부분 고리 원반들의 배치에 따라서, 상기 인출관의 주위를 시계 방향 또는 반시계 방향으로 흐른다.

바람직하게는, 상이한 혼합 부재들의 부분 고리 원반들 각각은 인접한 혼합 부재들의 회전 성분의 방향이 서로 각각 상이하도록 배치된다.

상기에서 설명된 유로들은 상호 교차하며 열전달 유체의 와류(swirl)라고도 불리는 혼합을 유발한다. 이러한 혼합은 회전 운동을 통하여 열전달 유체에 영향을 주는 와류에 의해 추가적으로 촉진된다.

전체적으로는, 이러한 영역 내의 흐름은 난류성(turbulent)인 것으로 설명될 수 있으며, 이러한 명칭은 단지 이러한 영역 내에서 열교환 유체의 상이한 열 층들이 집중적으로 혼합된다는 것을 설명하기 위한 것이다.

유리한 구성을 통해서는, 상기 혼합은 특히 인입관 내측 표면의 영역 및 인출관 외측 표면의 영역 내, 즉, 정확하게는 상기 층류가 가장 높은 온도차(temperature difference)를 가진 층을 형성하게 되는 영역 내에서 일어난다.

대용량의 지열 프로브의 경우에는, 순수한 층류의 경우에는 내측의 층이 거의 열을 흡수하지 못할 수도 있다는 위험 요소가 있다. 이러한 이유로, 층의 형성은 열전달 유체의 혼합에 의하여 상쇄된다.

상기의 흐름들 사이의 경계 층은 와해되어 개방된다. 이러한 와해-개방 및 그의 결과로 지명과 열전달 유체 사이의 전체적인 열의 효율적인 혼합이 발생한다.

혼합부재들의 특별한 배치를 통하여, 지열 프로브가 충분히 높은 온도 기울기(temperature ingredient) 또는 배출가(discharge value)에 도달하기 위해서 필수적으로 요구되는 상기 지열 프로브의 길이는 줄어들 수 있다.

상기 지열 프로브는 또한 굴착 심도(drilling depth)가 지질학적 또는 법적으로 제한되는 지역에 적용될 수 있다. 빠른 층류와 열전달 유체의 혼합 사이의 전환을 통하여 효율적인 열교환이 달성될 수 있다.

특히, 본 발명에 따른 지열 프로브들은, 이들이 지면과 효율적으로 열교환을 달성하기 때문에, 또한 냉각에도 적합하다.

본 발명의 추가적인 측면은, 소비자 순환로 다음의 열 펌프로부터 아무런 열 요청이 없을 때에는, 순환 열 펌프를 구비한 지열 프로브 열 순환로가, 비교적 짧은 시간 간격으로, 열전달 유체를 적어도 하나의 지열 프로브를 구비한 연결 열 순환로에 전달 또는 이동시킨다는 것이다.

소비자 또는 열 펌프로부터 열 요청이 있는 순환 펌프가 열을 전달하는 종래의 기기들과 대조하여 본다면, 본 발명에 따른 순환 펌프는 그에 독립적으로 작동한다. 이로 인하여, 열 순환로의 정지 상태에 있는 경우에도, 지열 프로브 내의 열전달 유체의 순환 및 그로 인한 혼합이 발생할 수 있게 된다.

이는 상기 열전달 유체의 가열을 차례차례로 증가시키게 되며, 상기 열 폄프의 효율을 현저하게 증가시킨다. 따라서, 열전달 유체에 대한 요청이 없어도, 열 펌프에 도달하기 이전에, 상기 열전달 유체는 상기 지열 프로브 내에서 이미 사전에 가열되어 있게 된다. 특히, 상기 열 펌프가 열 요청을 가능하게 할 때까지 요구되는 시간 역시 이로 인해 감소된다.

이러한 지열 프로브 순환로를 운용하기 위한 본 발명에 따른 방법은, 상기 열전달 유체가 상기 지열 프로브 내에서 순환 펌프를 짧은 시간 간격으로 순환하거나, 또는 구성에 따라서는, 상기 지열 프로브 내에서 순환하여 열전달 유체의 혼합이 상시적으로 발생되도록 한다.

본 발명의 추가적인 특징 및 장점은 다음에서 설명되는 실시예로부터 얻을 수 있으며, 실시예는 본 발명을 제한하는 것으로 이해되어서는 아니된다. 본 발명의 실시예는 도면을 참고로 하여 상세하게 설명된다. 도면에는 다음과 같은 구성요소들이 개략적으로 도시된다.
도 1은 인출관 상의 혼합 부재의 사시도이다.
도 2는 혼합 부재가 배치된 영역 내의 인입관의 단면도이다.
도 3은 세 개의 혼합 부재가 배치된 영역 내의 인입관의 단면도이다.
여러 도면에서, 그 기능에 있어서 균등한 부분들은 항상 동일한 참조 부호로 표시되어 일반적으로 단 한번만 설명되도록 한다.

도 1은 혼합 부재(20)가 배치된 인출관(18)의 일부 구간을 개략적으로 도시한다. 도시된 실시예에서, 상기 혼합부재(20)는 부분 고리 표면(21)을 각각 구비한 다섯 개의 부분 고리 원반(22)를 포함하며, 상기 부분 고리 원반(22) 각각은 외측 가장자리(25), 내측 가장자리(23) 및 두 개의 자유단(26) 각각에 의하여 그 범위가 정해진다.

상기 부분 고리 원반(22)들은 상기 인출관(18)의 세로축(x-x)의 직교 평면에 대하여 서로 다른 사선으로 배치되고, 각각의 경우에 상기 자유단(26)들 중 하나는 인접한 부분 고리 원반(22)의 자유단(26)들 중 하나와 이격되도록 배치된다.

이로 인하여, 인접한 두 부분 고리 원반(22)들의 두 개의 자유단(26)들은 개구부(24)를 형성하며, 상기 개구부는 상기 인출관(18)의 세로축(x-x)을 따라서 수직 방향으로 연장된다.

인접한 부분 고리 원반(22)들의 자유단(26)들은 실질적으로 상호 이격되도록 배치되며, 단지 상기 인접한 부분 고리 원반(22)들의 외측 가장자리(25) 부분에서만 상호 접촉한다.

상기 부분 고리 원반(22)들의 사선 배치(oblique arrangement)를 통하여, 상기 혼합부재(20)의 외관은 정상에서 보았을 때 상기 인출관(18)의 주위를 시계 방향으로 세로축(x-x)을 따라 감아 내려가는 나선(helix)의 외관과 유사하게 된다.

도 2는 본 발명에 따른 지열 프로브(10)의 인입관(12)의 단면도로서, 혼합 부재(20)가 인입관 내측 표면(16)과 인출관 외측 표면(19) 사이에 형성된 고리 형상 공간(15) 내에 배치된 영역의 단면을 도시한 것이다. 도2에 도시된 상기 혼합부재(20)는 도1에서 간략하게 도시된 혼합부재(20)에 해당한다. 단면도에서는, 부분 고리 원반(22)의 외측 가장자리(25)와 인입관 내측 표면(16) 사이에 고리 형상 간격(28)이 형성되는 것이 분명하게 도시되어 있다.

상기 혼합부재(20)가 배치된 상기 고리 형상 공간(15)의 영역 내에서는, 열전달 유체는 실질적으로 세 개의 서로 다른 유로를 따라 흐른다. 그 이전에, 상기 열전달 유체는 상기 고리 형상 공간(15) 내의 상기 혼합부재(20) 방향으로 (대략적인) 층류(laminar flow)를 형성하며 흐른다. 상기 층류를 형성하며 흐르는 열전달 유체의 방향은 큰 개방형 화살표로 도시되어 있다. 상기 화살표의 방향은 상기 열전달 유체의 인입 방향이다.

상기 열전달 유체의 인입 방향 층류가 제1부분 고리 원반(22)의 부분 고리 표면(22)과 부딪치면, 상기 열전달 유체는 시계 방향으로 상기 인출관(18) 주위에서 회전 운동을 하며 추가적인 부분 고리 표면(21)들로 향하게 된다. 이러한 제1유로는 상기 인출관(18) 주위에 점선으로 표시된 나선형 화살표로 도시되어 있다.

도 1에서 이미 도시된 두 개의 부분 원반(22)들 사이의 개구부(24)를 통하여 수직 성분의 제2유로가 생성되며, 이는 인출관 외측 표면(19)을 직접적으로 따라 흐른다. 이러한 제2유로의 각각의 경우는 상기 개구부(24) 내의 작은 개방형 화살표로 도시되어 있다.

설명의 명료함을 위해서, 개구부들 중 하나(24a)에서는 상기 작은 개방형 화살표의 도시는 생략되었으며, 대신 작은 난류(29)가 도시되었는데, 이는 이 지점에서 상기 열전달 유체가 혼합된다는 것을 의미한다.

부분 고리 원반(22)들의 외측 가장자리(25)들 사이의 고리 형상 간격(28)은 제3유로를 형성한다. 제3유로는 좁고 긴 화살표들로 도시되어 있다. 이 영역에서의 열전달 유체의 혼합 역시 부분적으로 작은 난류(29)로서 도시되었다.

도면에 도시되지는 않았으나, 상기 인입관(12)의 하단에 있는 연결 영역에서는, 상기 열전달 유체는 상기 인출관(18) 내로 흘러 들어간다. 상기 인출관(18) 내의 흐름 방향은 검은색 화살표로 도시되어 있으며, 그 방향은 인입 방향의 반대 방향이다.

이와 마찬가지로, 도 3은 인입관(12)의 단면도를 도시한다. 도시된 영역에서는, 세 개의 혼합 부재(20I, 20II, 20III)가 고리 형상 공간(15) 내에 배치되어 있다.

도 3에 도시된 고리 형상 공간(15) 내의 혼합 부재(20I-III)들은 도2에 도시된 혼합 부재에 해당한다. 도시된 바와 같이, 상기 혼합 부재들(20I, 20II, 20III) 사이의 거리는 실질적으로 층류를 형성하며 흐르는 열전달 유체(큰 개방형 화살표로 도시됨)가 반드시 상기 각각의 혼합부재들(20I, 20II, 20III)의 제1부분 고리 원반(22)의 부분 고리 표면(21)에 부딪치도록 하는 방식으로 선택된다.

나아가서, 제1혼합부재(20I)는 상기 열전달 유체가 상기 인출관(18) 주위에서 반시계 방향의 회전 운동을 하도록 야기하며, 이때 제2혼합부재(20II)는 시계 방향으로, 그리고 제3 혼합부재(20III)는 다시 한번 는 상기 열전달 유체가 상기 인출관(18) 주위에서 반시계 방향의 회전 운동을 하도록 유도한다. 이러한 다수의 혼합부재들(20I-III)로 인하여, 층류들 사이에 변화가 반복적으로 일어나며, 또한 상기 열전달 유체의 혼합이 일어나게 된다.

Claims (9)

1. 지열 프로브(10) 주위의 지면 간의 열 교환을 위한 상기 지열 프로브(10)에 있어서, 상기 지열 프로브(10)에는 작동 상태에서는 열전달 유체가 배치되며,
   1.1 인입관 내측 표면(16)을 구비한 인입관(12); 및
   1.2 상기 인입관(12)내에 배치되며 인출관 외측 표면(19)을 구비한 인출관(18); 을 포함하며, 상기 인입관 내측 표면(16)과 상기 인출관 외측 표면(19) 사이에는 상기 열전달 유체가 층류를 형성하며 흐르도록 고리 형상 공간(15)이 형성되고,
   1.3 상기 인출관(18)의 세로축(x-x)을 따라 상기 고리 형상 공간(15) 내에서 상호 이격되어 배치된 적어도 둘 이상의 혼합부재(20)를 포함하며,
   1.3.1 상기 혼합부재(20)는 부분 고리 표면(21)을 각각 구비한 제1및 제2 부분 고리 원반(22) 중 적어도 하나를 포함하고, 상기 부분 고리 원반(22)은 상기 인출관 외측 표면(19)과 맞닿는 내측 가장자리(23), 외측 가장자리(25) 및 두 개의 자유단(26)에 의해 범위가 정해지며,
   1.3.1.1 상기 부분 고리 원반(22)은 상기 인출관(18)의 상기 세로축(x-x)의 직교 평면에 대하여 서로 다른 사선으로 배치되어, 제1유로가 회전 성분을 따라 상기 인출관(18) 주위의 상기 부분 고리 표면(21) 상에 흐르고,
   1.3.1.2 상기 제1부분 고리 원반(22)의 상기 자유단(26) 각각 및 상기 제2부분 고리 원반(22) 자유단(26) 중 하나는 실질적으로 상호 이격되도록 배치되어 개구부(24)를 형성하고, 제2유로가 상기 인출관(18)의 상기 세로축(x-x)에 평행한 부품을 따라 상기 개구부(24)를 통과하여 흐르며,
   1.3.1.3 상기 부분 고리 원반(22)의 상기 외측 가장자리(25)는 상기 인입관 내측 표면(16)과 함께 고리 형상 간격(28)을 형성하고, 제3유로가 상기 인입관 내측 표면(16)을 따라 상기 고리 형상 간격(28)을 통과하여 흐르며,
   1.3.1.4 상기 제1유로는 상기 제2및 상기 제3유로들과 교차하며 상기 열전달 유체의 혼합을 야기하며,
   상기 혼합부재(20)들 사이의 거리는 상기 열전달 유체가 상기 혼합부재(20)들 중 하나에 의한 상기 혼합 이후 거의 층류를 형성하며 그 다음의 혼합부재(20)로 흐르도록, 즉, 상기 열전달 유체의 혼합과 거의 층류 형성이 상기 지열 프로브(10) 내에서 발생하도록, 선택되는 지열 프로브(10).
2. 제1항에 있어서,
   상기 고리 형상 공간(15)의 미터 용량은 8ℓ 이상인 지열 프로브(10).
3. 제1항 내지 제2항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 혼합부재(20)는 상기 고리 형상 공간(15) 내에 상기 세로축(x-x)을 따른 방향으로 탈착 가능하게 배치되는 지열 프로브(10).
4. 제3항에 있어서,
   상기 혼합부재(20) 각각은 보어들을 구비한 슬리브를 포함하며, 상기 보어들을 통하여 그러브 나사들이 상기 인출관 상의 서로 다른 위치에 배치될 수 있는 지열 프로브(10).
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   인접한 상기 혼합부재(20)들의 상기 부분 고리 원반(22)들은 상기 세로축(x-x)의 직교 평면 내에서 서로 다르게 배치되어, 상기 인접한 혼합부재(20)들의 상기 제1유로의 상기 회전 성분의 방향이 서로 다르게 되는 방식으로 배치되는 지열 프로브(10).
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 부분 고리 원반(22)의 상기 자유단(26)들은 100° 내지 220°, 바람직하게는 180°의 각도를 상기 자유단(26)들 사이에 포함하는 지열 프로브(10).
7. 제1항 내지 제6항 중 어느 하나의 항에 있어서,
   상기 세로축(x-x)에 대한 직교 평면 내의 반경 방향으로의 상기 부분 고리 원반(22)의 상기 외측 가장자리(25)와 상기 인입관 내측 표면(16) 사이의 거리는 1 mm 내지 2.5 mm, 바람직하게는 1.5 mm 내지 2 mm에 해당하는 지열 프로브(10).
8. 적어도 하나의 제 1항 내지 제7항 중 어느 항에 따른 지열 프로브(10)를 구비한 연결 열 순환로;
   열 요구를 충족하기 위한 열 펌프를 구비한 소비자 열 순환로;
   상기 연결 열 순환로와 상기 소비자 열 순환로 사이의 열을 교환하기 위한 열 교환기; 및
   상기 지열 프로브(10) 내의 상기 열전달 유체의 순환을 발생시키기 위한 순환 펌프; 를 포함하며, 상기 순환 펌프는 상기 열전달 유체가, 상기 소비자 열 순환로의 열 요구에 독립적으로, 짧은 시간 간격으로 순환하도록 야기하는 지열 프로브 열 순환로.
9. 제1항 내지 제7항 중 어느 항에 따른 지열 프로브(10), 상기 지열 프로브(10) 내의 상기 열전달 유체의 순환을 발생시키기 위한 순환 펌프, 및 열 펌프를 구비한 소비자 열 순환로를 구비한 지열 프로브 열 순환로를 작동하기 위한 방법에 있어서, 상기 순환은 상기 순환은 상기 열전달 유체가, 상기 소비자 열 순환로의 열 요구에 독립적으로, 짧은 시간 간격으로 순환하도록 야기하는 작동 방법.

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