KR20180032253A - 고효율 지중열교환기 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고효율 지중열교환기에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 지중열교환기에 사용되는 공급관과 환수관으로 이루어지는 U자형 열교환기에 있어서, 착탈가능한 구조의 다수의 스페이서를 구비하여 U자형 열교환기를 시공시에 상호간 길이방향으로, 사전설정된 이격거리를 유지시킴으로써, 입출수간 오도전열방지가 되도록 하고, 외주연에 수직골을 함몰 형성하여 보어홀에 충진되는 그라우트재가 빈공간 발생없이 확실히 채워질 수 있도록 하며, 내부에 난류를 발생시켜 침전물이 발생되지 않도록 한 고효율 지중열교환기에 관한 것이다.

Description

고효율 지중열교환기{HIGH EFFICIENCY GEOTHERMAL HEAT EXCHANGER}

본 발명은 지중열교환기 시공중, 공급관과 환수관으로 이루어지는 U자형 열교환기 상호간의 간격이 불균일하게 변화되는 것을 사전에 방지하여, 입출수간 온도전열방지를 가능하게 하면서, 그라우트 충진 용이 및 내부 침전물이 발생되지 않는 고효율 지중열교환기에 관한 것이다.

인류는 오래전부터 난방 혹은 냉방을 위하여 다양한 열원을 사용해왔다. 최근에는 지구온난화 문제로 국제사회가 탄소배출의 최소화를 위하여 노력하고 있다.

신재생에너지 활용기술의 발전은 시대적 요구이며 지구를 온전하게 후손에게 물려줄 이 시대의 사명이기도 하다. 그 가운데 지열의 이용기술은 화석연료의 사용을 줄이는 획기적인 기술로써 최근 각광을 받고 있다. 하지만 다른 열 에너지의 사용기술에 비하여 초기투자비가 높다는 단점을 지니고 있다.

지열을 이용하기 위한 기술 중에, 수직밀폐형 지중열교환기는 지하수의 존부 여부에 상관없이 열전달매체(매질)를 사용하는 것으로, 다양한 기술이 개시되어 있다.

수직밀폐형 지중열교환기는, 보어홀에 U-튜브형 열교환기(U-튜브관)가 설치된다.

이를 위하여, 우선, 수직방향으로 토양층과 경계층을 지나 암반층이 드러날 때까지 천공한 다음, 아웃케이싱을 설치하여 토양의 붕괴와 지표수의 오염 방지 처리를 한 후, 지하 약 50m~300m 정도 깊이의 보어홀을 암반층에 천공하고, 여기에 상기 U-튜브형 열교환기(U-튜브관)를 삽입한 후 그라우팅 작업을 하게 된다.

그리고, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 U-튜브관(100)은 각각 공급관과 환수관으로 구성되어 히트펌프(P)와 연결되어 건물(H)의 냉난방부재(300)에 사용되는 방법으로 설치된다. 이어서, 상기 지중(G)의 보어홀(400)에는 U-튜브관과 암반층 사이에 열전도가 원활하게 될 수 있도록 그라우트재(200)가 충진되는 작업을 실시한다.

이때, 상기 U-튜브관은 보통 보어홀 하단부에서 U-밴드에 의해 서로 연결된다. U-튜브관은 PVC관 보다 충격에 강하고 일정 길이(예컨대, 150m 길이)의 연속관으로, 시공시간을 단축할 수 있는 HDPE(고밀도 폴리에틸렌) 재질의 PE관이 주로 사용되고 있다.

하지만, 상기와 같이 공급관과 환수관으로 이루어지는 U튜브관의 경우, 공급관과 환수관 상호간의 거리가 길이방향을 향해 일정하게 유지되어야, 유입출수간 온도전열이 방지되는데, 시공 중 다양한 예기치않게 간격이 불균일해지는 문제가 발생한다.

이에, 기존에는 공급관과 환수관을 제조시, 상호간을 별도의 연결부재로 연결시켜 일체로 사출하는 방식이 사용되기도 했지만, 이는 제조가 어렵고, 일체형이기 때문에 운반이 복잡해짐과 더불어, 불량발생이 많다는 문제가 있었다.

대한민국 등록특허 제10-0985854호 (2010.09.30. 등록)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 지중열교환기를 시공시, 보어홀(시추공)에 내설되는 U자형 열교환기에 있어서, U자형 열교환기를 이루는 공급관과 환수관 사이에 착탈가능한 형태의 분리형 스페이서를 구비하도록 함으로써, 공급관과 환수관 사이의 간격이 항시 일정하게 유지될 수 있도록 하도록 하고, 외주연에는 수직골을 형성하여, 보어홀에 채워지는 브라우트재가 보어홀 내에서 일부 채워지지 않는 문제가 발생되지 않으면서 확실히 충진될 수 있도록 하고, 공급관의 하단부 내주연에는 다수의 난류유동 돌기를 돌출형성하여, 공급수가 이러한 난류유동 돌기에 의해 난류를 형성함으로써, U튜브 부분에 침전물이 발생되지 않도록 함과 동시에, 침전된 침전물이 외부로 용이하게 배출될 수 있도록 한 고효율 지중열교환기를 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 본 발명의 실시예에 의해 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허청구범위에 나타낸 수단 및 조합에 의해 실현될 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 수단으로서, 지중에 천공된 보어홀(10) 내에, 공급관(31) 및 환수관(32)으로 이루어지는 U자형 열교환기(30)를 내설하는 지중열교환기에 있어서, 상기 U자형 열교환기(30)를 이루는 공급관(31) 및 환수관(32)의 외주연에 상호간 대향되어 돌출형성되되, 공급관(31) 및 환수관(32)의 길이방향을 향해 다수개가 연속설치되며, 끼움홀(41)을 천공형되어 있는 체결부(40); 상호간 대향되는 공급관(31)과 환수관(32)의 각 체결부(40) 끼움홀(41)에 양단이 착탈가능하게 체결되도록, 지면과 수평을 이루는 수평판(51) 및 수평판(51)의 양단에서 끼움홀(41)에 대응되도록 돌출되는 삽입편(52)으로 이루어져, 공급관(31) 및 환수관(32) 상호간의 이격거리가 길이방향을 향해 일정하게 유지될 수 있도록 부동시키는 스페이서(50); 를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명은 지중열교환기를 이루는 U자형 열교환기를 시공시, 길이방향을 향해 사전설정한 이격거리를 항시 유지할 수 있도록 함으로써, 열교환기 입출수간 온도전열을 방지할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 U자형 열교환기를 이루는 공급관과 환수관의 이격거리를 유지시킬 시, 최초 제작시부터 유지되어 운반 및 설치가 어렵지 않도록, 시공시 시공현장에서 시행할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 보어홀에 충진되는 그라우트재의 경우, 공급관 및 환수관 외주연에 형성되어 있는 수직홀에 의해 충진방향이 가이드되어, 보어홀에 확실히 빈공간없이 충진이 가능해지는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 공급관의 하단부 내부에 난류가 형성되도록 함으로써, 공급관과 환수관의 U튜브 부분에서 침전물이 침전되지 않도록 하는 효과가 있다.

도 1은 종래 지중열교환기의 설치모습을 나타낸 일실시예의 도면.
도 2는 본 발명의 U자형 열교환기에 스페이서를 설치하기 전, 후 모습을 나타낸 도면.
도 3은 본 발명에 따른 U자형 열교환기와 스페이서의 결합형태를 나타낸 일실시예의 평면도.
도 4는 도 2의 (A)부분 외형도.
도 5는 도 2의 (B)부분 내부 평면도.

본 발명의 여러 실시예들을 상세히 설명하기 전에, 다음의 상세한 설명에 기재되거나 도면에 도시된 구성요소들의 구성 및 배열들의 상세로 그 응용이 제한되는 것이 아니라는 것을 알 수 있을 것이다. 본 발명은 다른 실시예들로 구현되고 실시될 수 있고 다양한 방법으로 수행될 수 있다. 또, 장치 또는 요소 방향(예를 들어 "전(front)", "후(back)", "위(up)", "아래(down)", "상(top)", "하(bottom)", "좌(left)", "우(right)", "횡(lateral)")등과 같은 용어들에 관하여 본원에 사용된 표현 및 술어는 단지 본 발명의 설명을 단순화하기 위해 사용되고, 관련된 장치 또는 요소가 단순히 특정 방향을 가져야 함을 나타내거나 의미하지 않는다는 것을 알 수 있을 것이다. 또한, "제 1(first)", "제 2(second)"와 같은 용어는 설명을 위해 본원 및 첨부 청구항들에 사용되고 상대적인 중요성 또는 취지를 나타내거나 의미하는 것으로 의도하지 않는다.

본 발명은 상기의 목적을 달성하기 위해 아래의 특징을 갖는다.

이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하도록 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

본 발명에 따른 일실시예를 살펴보면,

지중에 천공된 보어홀(10) 내에, 공급관(31) 및 환수관(32)으로 이루어지는 U자형 열교환기(30)를 내설하는 지중열교환기에 있어서, 상기 U자형 열교환기(30)를 이루는 공급관(31) 및 환수관(32)의 외주연에 상호간 대향되어 돌출형성되되, 공급관(31) 및 환수관(32)의 길이방향을 향해 다수개가 연속설치되며, 끼움홀(41)을 천공형되어 있는 체결부(40); 상호간 대향되는 공급관(31)과 환수관(32)의 각 체결부(40) 끼움홀(41)에 양단이 착탈가능하게 체결되도록, 지면과 수평을 이루는 수평판(51) 및 수평판(51)의 양단에서 끼움홀(41)에 대응되도록 돌출되는 삽입편(52)으로 이루어져, 공급관(31) 및 환수관(32) 상호간의 이격거리가 길이방향을 향해 일정하게 유지될 수 있도록 부동시키는 스페이서(50); 를 구비하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 U자형 열교환기(30)는 외주연에 길이방향을 향해 다수의 수직골(60)을 함몰형성함으로써, U자형 열교환기(30)를 보어홀(10)에 내설 후, 보어홀(10)에 그라우트재(20)를 충진작업할 시, 그라우트재(20)가 U자형 열효관기의 수직골(60)을 따라 채움방향이 가이드되며 보어홀(10)에 충진됨으로써, 보어홀(10) 내부 또는 U자형 열교환기(30) 주변에 그라우트재(20)가 채워지지 않는 빈공간이 발생되지 않도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 U자형 열교환기(30)는 상기 공급관(31)의 하단부 내주연에 다수의 난류유동 돌기(70)를 다수 돌출형성함으로써, 공급관(31)과 환수관(32)을 연결하는 하단의 U튜브(33) 부분에 침전되는 침전물이, 난류유동 돌기(70)에 의해 발생되는 난류에 의해 외부로 용이하게 배출될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 체결부(40)는 공급관(31) 및 환수관(32)의 길이방향을 향해 수직방향으로 판형태로 연장형성되고, 끼움홀(41)은 체결부(40)의 전, 후방을 관통하는 형태로 천공형성되어, 상기 체결부(40)의 전방 또는 후방에서, 스페이서(50)의 양단이 끼움홀(41)에 착탈가능하게 끼움결합되는 구조를 가지며, 상기 스페이서(50) 양단의 삽입편(52)은 단부를 향해 점차 직경이 좁아지는 형태를 가지는 것을 특징으로 한다.

이하, 도 1 내지 도 5를 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 고효율 지중열교환기를 상세히 설명하도록 한다.

본 발명에 따른 고효율 지중열교환기는 체결부(40), 스페이서(50), 수직골(60), 난류유동 돌기(70)를 포함한다.

우선, 본 발명에서의 지중열교환기는 '발명의 배경이 되는 기술' 단락에서도 설명하고 있듯이, 지중에 보어홀(시추공,10)을 천공한 후, U자형 형태를 가지며 공급관(31)과 지중관의 복수개관으로 이루어면서, 상호간 하단부가 U튜브(33)로 연결되는 열교환기를 내설하는 방식의, 널리 사용되고 있는 지중열교환기가 그 대상이다.

이 경우, 보어홀(10)에 내설되는 U자형 열교환기(30)의 경우, 공급관(31)과 환수관(32)의 사이는 사전설정된 이격거리를 길이방향으로 유지하면서, U자형태를 이루어야 하며, 이렇게 상호간의 이격거리가 길이방향으로 동일하게 유지되어야지만, U자형 열교환기(30)의 입출수간 온도전열이 방지되는 것이다.

이에, 본원발명에서는 이러한 U자형 열교환기(30)의 공급관(31)과 환수관(32)의 이격거리가, 시공시 길이방향을 따라 일정하게 유지될 수 있도록 한 것으로, 체결부(40)와 스페이서(50)를 포함한다.

상기 체결부(40)는 공급관(31)과 환수관(32)의 상호간 마주보는 대응면에, 상호간 동일수평선상에 위치되도록 각각 돌출형성되는 것이다.

물론, 이러한 체결부(40)는 공급관(31)의 길이방향 및 환수관(32)의 길이방향을 향해 단일개, 복수개, 다수개 중 어느하나가 사용자가 지정한 간격에 맞춰, 공급관(31)과 환수관(32)이 상호간 길이방향으로 동일한 이격간격을 유지할 수 있도록, 실시예에 따라 설치될 수 있음이다.

상기 체결부(40)는 공급관(31)의 외주연에서 길이방향을 향해 수직으로 연장돌출되는 형태를 가지면, 이러한 체결부(40)에 전, 후방을 관통하는 끼움홀(41)이 천공형성되어 있도록 한다.

상기 스페이서(50)는 전술된 체결부(40)에 양단이 착탈가능하게 대응체결됨으로써, 공급관(31)과 환수관(32)의 상호간 이격거리가 길이방향을 향해 동일하게 유지될 수 있도록 하는 것이다.

이를 위한 스페이서(50)는 판재 형상의 수평판(51)과, 상기 수평판(51)의 양단에서 전술된 공급관(31)과 환수관(32)의 각 체결부(40) 끼움홀(41)에 대응되도록 돌출되는 삽입편(52)으로 이루어진다.

즉, 전술된 바와 같이, 체결부(40)는 공급관(31)과 환수관(32)의 외주연에서 수직으로 돌출되어 있고, 끼움홀(41)은 전, 후방을 관통하는 형태로 천공되어 있기에, 상기 스페이서(50) 또한 이러한 체결부(40)의 전, 후방에서 양단부의 삽입편(52)이 끼움홀(41)에 대응되도록 끼움결합되는 것이다.

상기 스페이서(50)가 체결부(40)에 착탈가능하면서, 체결이 용이토록 하기 위해, 상기 스페이서(50) 양단의 삽입편(52)은 단부를 향해 점차 직경이 좁아지는 형태를 가지도록 한다.

더불어, 이러한 스페이서(50)의 경우, 수평판(51)은 상부가 완만한 원호형상을 가지도록 함으로써, 그라우트재(20)를 보어홀(10)에 충진주입시 더욱 용이토록 한다.

상기 수직골(60)은 전술된 U자형 열교환기(30)를 이루는 공급관(31)과 환수관(32)에 외주연에 설치되는 것으로, 길이방향으로 다수의 수직골(60)이 형성되도록 하는 것이다.

이로써, 상기 보어홀(10) 내부에 U자형 열교환기(30)를 내설 후, 그라우트재(20)를 보어홀(10) 내부에 충진시, 보어홀(10) 내부에 그라우트재(20)가 채워지지 않고 빈공간이 발생되거나, 또는 U자형 열교환기(30) 주변 일부분에 그라우트재(20)가 채워지지 않는 것을 방지하기 위한 것으로, 그라우트재(20)가 U자형 열교환기(30)의 이러한 수직골(60)을 따라 보어홀(10) 내부로 충진방향이 가이드되며 충진됨으로써, U자형 열교환기(30) 주변이나 보어홀(10) 내부에 그라우트재(20)가 채워지지 않는 빈공간 발생을 사전에 방지할 수 있도록 한 것이다.

상기 난류유동 돌기(70)는 전술된 U자형 열교환기(30)의 공급관(31) 하단부 내주연에 설치되는 것으로, 내주연 둘레에 다수의 돌기형태로 돌출형성되는 것이다.

이로써, 공급수가 공급관(31)을 따라 하단으로 이동하여 U튜브(33)를 통해 환수관(32)으로 이동될 시, 공급관(31) 하단부측 이러한 난류유동 돌기(70)에 의해 난류가 발생하게 된다.

상기 공급관(31)과 환수관(32)을 상호 연결하는 U튜브(33) 부분에서는 침전물이 발생할 수 있기에, 이러한 침전물이 발생하더라도 난류유동 돌기(70)의 난류발생으로 침전물이 침전되지 않고 이동될 수 있도록 하는 것이다.

다시말해, 난류발생으로 U튜브(33) 부분에서 침전물이 발생되지 않을 뿐더러,발생되어도 이러한 난류발생으로 바로 환수관(32)측으로 이동되어 배출되는 것이다.

이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술 사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변경이 가능함은 물론이다.

10: 보어홀 20: 그라우트재
30: U자형 열교환기 31: 공급관
32: 환수관 33: U 튜브
40: 체결부 41: 끼움홀
50: 스페이서 51: 수평판
52: 삽입편 60: 수직골
70: 난류유동 돌기

Claims (4)

1. 지중에 천공된 보어홀(10) 내에, 공급관(31) 및 환수관(32)으로 이루어지는 U자형 열교환기(30)를 내설하는 지중열교환기에 있어서,
   상기 U자형 열교환기(30)를 이루는 공급관(31) 및 환수관(32)의 외주연에 상호간 대향되어 돌출형성되되, 공급관(31) 및 환수관(32)의 길이방향을 향해 다수개가 연속설치되며, 끼움홀(41)을 천공형되어 있는 체결부(40);
   상호간 대향되는 공급관(31)과 환수관(32)의 각 체결부(40) 끼움홀(41)에 양단이 착탈가능하게 체결되도록, 지면과 수평을 이루는 수평판(51) 및 수평판(51)의 양단에서 끼움홀(41)에 대응되도록 돌출되는 삽입편(52)으로 이루어져, 공급관(31) 및 환수관(32) 상호간의 이격거리가 길이방향을 향해 일정하게 유지될 수 있도록 부동시키는 스페이서(50);
   를 구비하는 것을 특징으로 하는 고효율 지중열교환기.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 U자형 열교환기(30)는
   외주연에 길이방향을 향해 다수의 수직골(60)을 함몰형성함으로써,
   U자형 열교환기(30)를 보어홀(10)에 내설 후, 보어홀(10)에 그라우트재(20)를 충진작업할 시,
   그라우트재(20)가 U자형 열효관기의 수직골(60)을 따라 채움방향이 가이드되며 보어홀(10)에 충진됨으로써, 보어홀(10) 내부 또는 U자형 열교환기(30) 주변에 그라우트재(20)가 채워지지 않는 빈공간이 발생되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는 고효율 지중열교환기.
   
3. 제 1항에 있어서,
   상기 U자형 열교환기(30)는
   상기 공급관(31)의 하단부 내주연에 다수의 난류유동 돌기(70)를 다수 돌출형성함으로써, 공급관(31)과 환수관(32)을 연결하는 하단의 U튜브(33) 부분에 침전되는 침전물이, 난류유동 돌기(70)에 의해 발생되는 난류에 의해 외부로 용이하게 배출될 수 있도록 하는 것을 특징으로 하는 고효율 지중열교환기.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 체결부(40)는 공급관(31) 및 환수관(32)의 길이방향을 향해 수직방향으로 판형태로 연장형성되고, 끼움홀(41)은 체결부(40)의 전, 후방을 관통하는 형태로 천공형성되어,
   상기 체결부(40)의 전방 또는 후방에서, 스페이서(50)의 양단이 끼움홀(41)에 착탈가능하게 끼움결합되는 구조를 가지며,
   상기 스페이서(50) 양단의 삽입편(52)은 단부를 향해 점차 직경이 좁아지는 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 고효율 지중열교환기.
   

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