CHUNG BYUNG MANN (KR)
| KR20050034535A | ||||
| US3911683A | ||||
| KR20060021023A |
김인한 (KR)
| 열 교환 코일이 수용되는 제1 하우징; 상기 유입구와 토출구가 외부로 돌출될 수 있게 상기 열 교환 코일과 제1 하우징이 수용되며 지중으로부터 열 교환 코일 측으로 열을 전달하게 하는 제2 하우징; 및 상기 제2 하우징 외주면에 구비되어 지중으로부터 제2 하우징 측으로 지열을 전달하게 하는 전열부재;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 형 지열교환기. |
| 제 1 항에 있어서, 상기 열 교환 코일은 유입구가 형성된 유입 측 관로가 토출구가 형성된 토출 측 관로를 기준으로 나선 형태로 배치되게 형성되는 히트 파이프인 것을 특징으로 하는 히트 파이프 형 지열교환기. |
| 제 1 항에 있어서, 상기 열 교환 코일은 유입구와 토출구가 같은 방향에 위치되게 하는 "U" 형태를 하게 하는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 형 지열교환기. |
| 제 1 항에 있어서, 상기 전열부재는 상기 제2 하우징 외주면에 등 간격으로 배치되는 판체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 히트 파이프 형 지열교환기. |
본 발명은 히트 파이프 형 지열 교환기에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 지중에 대해 종래에 비해 시공 깊이가 낮으면서도 상대적으로 높은 열효율을 갖게 할 수 있어 시공비 및 에너지비용 절감을 크게 개선할 수 있는 히트 파이프 형 지열 교환기에 관한 것이다.
일반적으로 알려진 지열을 이용한 냉난방기는 냉각수를 지하수로 이용하는 것이 가장 널리 알려져 있다. 즉, 지하수를 이용하는 냉난방기는 지하수를 펌프를 통해 강제 이송시켜 히트펌프의 열원으로 사용함으로써 하절기에는 실내를 냉각하고, 동절기에는 실내를 난방하는 장치를 말한다.
그러나 상기와 같이 구성된 냉난방기를 사용할 경우에는 다음과 같은 문제점이 발생된다.
먼저 지하수를 냉각수로 사용할 경우에는 지하수 채취공을 굴착하는 비용이 많이 들고, 지하수가 없는 건물에서는 사용이 불가능할 뿐만 아니라, 지하수를 순환시킴에 따라서 지하수를 오염시키는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해소하기 위해 실용신안등록 제0403735호의 지열집열체가 제안되었으며, 이 지열집열체를 이용한 냉난방 장치의 경우 지열집열체가 매설되는 깊이가 약 150m 이상으로 깊게 매설되어야 하므로 시공에 많은 어려움이 있다.
그리고 보편적으로 사용되는 지열교환기는 용량 조절이 용이하지 않고 단 1개의 지열 교환기 설치용 지공을 굴착하더라도 일정 금액 이하로는 불가능하므로, 열교환기 설치비용이 크게 소요되나 실제 1개 이하의 지중 열교환기를 설치하는 것은 경제성이 없으므로 다수가 설치되게 된다. 이는 결국 비용의 상승으로 이어져 중소규모 주택의 경우 총 건축비의 30% 가량을 차지하게 된다. 이에 대한 보급촉진 지원책으로 정부에서 설치비의 50% 가량의 신재생 에너지 보급 지원금을 지원해주고 있지만, 주택 등 소규모 건물에는 지원된 사례가 적고, 또한 지원금을 사용한다 해도 건축주에게 잔여 부담금이 기존 화석열원 냉난방기에 비하여 수십 배에 달하여 중소규모의 건물이나 주택에 적용하기에 어려운 실정이다.
따라서 환경오염을 일으키지 않으면서 고효율로 지열을 회수할 수 있고, 저렴한 비용으로 시공할 수 있는 지열 교환기가 절실히 필요한 실정이다.
*참고 문헌*
[문헌 1] WO 85/03994 Method and deep well for extracting geothermal energy.
[ 문헌 2] US 07251938 B1,20070807 System and method for recovering geothermal energy and for converting recovered geothermal energy into useful power.
[문헌 3] WO/2006/045227 A ground source heat pump system.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서, 본 발명의 지중에 대해 종래에 비해 시공 깊이가 낮으면서도 상대적으로 높은 열효율을 갖게 할 수 있어 시공비 및 에너지비용 절감을 크게 개선할 수 있는 히트 파이프 형 지열교환기를 제공함에 있다.
본 발명은 앞서 본 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 구성을 가진다.
본 발명의 히트 파이프 형 지열교환기는, 열 교환 코일이 수용되는 제1 하우징; 상기 유입구와 토출구가 외부로 돌출될 수 있게 상기 열 교환 코일과 제1 하우징이 수용되며 지중으로부터 열 교환 코일 측으로 열을 전달하게 하는 제2 하우징; 및 상기 제2 하우징 외주면에 구비되어 지중으로부터 제2 하우징 측으로 지열을 전달하게 하는 전열부재;를 포함하여 이루어진다.
또한 상기 열 교환 코일은 유입구가 형성된 유입 측 관로가 토출구가 형성된 토출 측 관로를 기준으로 나선 형태로 배치되게 형성되는 히트 파이프이거나 또는 상기 열 교환 코일은 유입구와 토출구가 같은 방향에 위치되게 하는 "U" 형태를 하게 한다.
그리고 상기 전열부재는 상기 제2 하우징 외주면에 등 간격으로 배치되는 판체로 이루어진다.
본 발명에 따르면, 지중에 대해 종래에 비해 시공 깊이가 낮으면서도 상대적으로 높은 열효율을 갖게 할 수 있어 시공비 및 에너지비용을 크게 절감할 수 있는 효과가 있다.
또한 하우징 내에 일체형으로 구성되어 구조가 간단하여 설치를 용이하게 할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 히트 파이프 형 지열교환기를 나타내는 단면도.
도 2는 도 1에 도시된 히트 파이프 형 지열교환기를 나타내는 평면도.
도 3은 본 발명에 따른 열 교환 코일의 다른 실시 예를 나타내는 단면도.
도 4는 본 발명에 따른 히트 파이프 형 지열교환기의 작동상태를 나타내는 작동도.
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 발명에 따른 히트 파이프 형 지열교환기를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 히트 파이프 형 지열교환기를 나타내는 평면도이며, 도 3은 본 발명에 따른 열 교환 코일의 다른 실시 예를 나타내는 단면도이고, 도 4는 본 발명에 따른 히트 파이프 형 지열교환기의 작동상태를 나타내는 작동도이다.
도 1 및 도 2에 도시된 바에 의하면 본 발명의 지열 교환기(10)는 열 교환 코일(110), 제1 하우징(120), 제2 하우징(130) 및 전열부재(140)를 포함하여 이루어진다.
상기 열 교환 코일(110)은 토출구(112a)가 형성된 토출 측 관로(112)와 유입구(111a)가 형성된 유입 측 관로(111)로 이루어지며, 상기 토출 측 관로(112)의 하단부에서 상부 방향으로 상기 유입 측 관로(111)가 나선 형태로 배치되어 있으며, 상기 유입구(111a)와 토출구(112a)가 서로 같은 방향을 향하게 개구되어 있다. 즉, 외부로부터 열매체가 상기 유입구(111a)로 유입되고 유입된 열매체는 유입 측 관로(111)를 따라 이동하다 토출 측 관로(112)를 지나 토출구(112a)를 통해 외부로 다시 방출하게 되는 구조를 하고 있다. 이 과정에 관로를 통과는 열매체에서 열 교환이 이루어지게 된다. 또한 열매체에서의 열 교환 효율을 증대시키기 위해 관로는 히트 파이프로 형성되게 된다.
그리고, 도 3에 도시된 바와 같이 열교환기 코일(110')은 유입구(111a)와 토출구(112a)가 서로 같은 방향으로 향하는 "U"자 형태를 할 수도 있다.
상기 제1 하우징(120)은 관 형태로 상기 열 교환 코일의 위크 기능을 구현할 수 있는 격막 역할을 하는 구성이며, 상기 제2 하우징(130)은 속이 빈 원통 형태를 하고 있고, 하단이 갓 형태의 노우즈(135)가 형성되며, 상단에는 내부와 연통되는 주입구(131)가 구비된다. 또한 상기 주입구(131)와 이웃한 위치에 대해 감지수단(132)가 내부로 인입된 상태로 구비되어 내부에 충진된 작동유체의 수위 및 압력을 감지할 수 있게 하고 있다. 그리고 상기 제1 하우징(120)은 상기 제2 하우징(130) 내에 구비되어 충진된 작동유체가 제1 하우징을 통해 대류현상을 발생시켜 작동유체의 유동성을 크게 함으로써 지열전달 효율을 극대화시킬 수 있게 하고 있다.
상기 전열부재(140)는 판체 형태를 상기 제2 하우징(130) 외주면을 따라 등 간격으로 배치시켜 지중으로부터 제2 하우징(130) 측으로의 지열 전달을 수월하게 진행시킬 수 있게 하는 구성이며, 여기서 상기 전열부재(140)는 지중으로부터 지열을 효율적으로 전달하고, 지중 압력으로부터 손상되는 것을 방지할 수 있는 소재를 이용하는 것이 바람직하다.
예컨대 본 발명은 상기 제2 하우징(130) 내에 제1 하우징(120)과 열 교환 코일(110)이 삽입된 상태로 작동유체가 주입구(131)를 통해 제2 하우징 내에 충진되게 되고, 충진된 작동유체는 제2 하우징 내에서 제1 하우징과의 공간을 순환하며 지열을 열 교환 코일 측으로 전달할 수 있게 하는 구조이다. 전달된 지열은 열 교환 코일을 통해 외부로 전달되어 히트펌프(미도시)에 전달되어 에너지로 이용하게 된다.
이와 같은 본 발명의 구체적은 작동상태를 살펴보면, 도 4에 도시된 바와 같이 먼저 지열 교환기(10)를 지중(20)에 설치 시공한다. 시공된 지열 교환기(10)는 상술한 바와 같이 제2 하우징 내에 제1 하우징과 열교환 코일이 일체로 구성되어 있으며, 상부에는 유입구(111a)와 토출구(112a)가 돌출되어 외부의 히트펌프(미도시)와 연결되어 있다.
이 상태에서 상기 지중(20)으로부터 지열을 전열부재를 이용해 전달받게 되고, 전열부재(140)로 전달된 지열은 제2 하우징(130)을 통과하여 내부에 충진된 작동유체(133)에 전달하여 지열이 수용된 상태가 되게 한다.
여기서 상기 작동유체(133)는 항시 상기 제1 하우징(120)에 의해 제2 하우징 내에서 대류현상을 일으키며 순환하고 있어서 제1 하우징 내에 구비된 열 교환 코일(110)에 수용된 지열을 효율적으로 전달할 수 있게 된다. 그리고 상기 지열을 전달받은 열 교환 코일(110)은 히트펌프에 의해 유입 측 관로(111)와 토출 측 관로(112)를 순환하는 열매체에 지열을 전달하여 히트펌프를 통해 에너지원으로써 이용하게 된다. 즉, 지열을 작동유체(133)를 이용해 열매체 측으로 효율적으로 전달하기 위해 작동유체를 순환시키고, 열매체로 전달되는 지열의 효율성을 높이기 위해 열 교환 코일을 히트 파이프로 형성시켜 이를 제2 하우징 내에 일체형으로 구비시킴으로써 공간을 최소화하며 극대화된 지열 전달 효율을 가능하게 한다.
여기서 상기 작동유체는 물을 이용하며, 상기 열매체는 기름을 이용하고 있으나 지중 오염을 최소화하고 지열 전달 효율을 극대화할 수 있는 것이면 어떠한 것도 포함한다.
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.