KR101948120B1 - Screw pile type geothermal heat exchanger - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 스크루 파일형 지열교환기에 관한 것으로서, 지중에 설치되어 히트펌프 시스템에 지열을 공급하기 위한 스크루 파일형 지열교환기에 관한 것이다.The present invention relates to a screw-type geothermal heat exchanger, and more particularly, to a screw-type geothermal heat exchanger for supplying geothermal heat to a heat pump system installed in the ground.
지열교환기는 지중에 설치되어 히트펌프 시스템의 증발기나 응축기로 작동하며 히트펌프 시스템에 지열을 공급한다.The geothermal exchanger is installed in the ground and operates as an evaporator or condenser of the heat pump system and supplies geothermal heat to the heat pump system.
지열교환기를 지중에 설치하기 위해서는, 지면을 천공하고 천공된 보어홀(borehole)에 지열교환기를 매설하거나, 지중에 PHC(Pretensioned spun high strength concrete pile)와 같은 중공관 파일을 타설하고 중공관 파일의 내부에 지열교환기를 구성하기 위한 열교환파이프를 삽입하여 설치하여야 한다.In order to install the geothermal exchanger in the ground, a geothermal exchanger should be buried in a borehole with a hole in the ground, or a hollow tube file such as PHC (Pretensioned spun high strength concrete pile) And a heat exchange pipe for constituting a geothermal exchanger is to be installed inside.
이와 관련한 종래의 기술로 대한민국 등록특허 제10-0654151호 "말뚝의 중공부를 이용한 열교환장치 및 그 설치방법", 대한민국 등록특허 제10-1724286호 "열교환용 이중관 복합 파일을 갖는 지중열교환 구조체" 등이 제시된 바 있다.Korean Patent No. 10-0654151 entitled "Heat exchange apparatus using a hollow portion of a pile and its installation method ", Korean Patent No. 10-1724286 entitled" Underground heat exchange structure having a double pipe composite file for heat exchange " It has been suggested.
그러나 이와 같은 종래의 기술은 지열교환기를 지중에 설치하기 위하여 지면을 천공하거나 지중에 중공관 파일을 타설하는 등의 과정이 선행되어야 하므로 시공 과정이 매우 번거롭다는 문제가 있다.However, such a conventional technique has a problem in that the construction process is very troublesome because the ground must be pierced in order to install the geothermal heat exchanger in the ground or a hollow pipe file must be laid in the ground.
아울러 종래의 지열교환기는 열운반 매체로서 에틸렌 글리콜, 프로필렌 글리콜, 에탄올 등의 브라인(brine)을 이용하여 지중에서 열교환이 이루어지도록 하고, 지상의 히트펌프 시스템에서 다시 냉매와 열교환하여 냉난방을 수행하도록 하였다.In the conventional geothermal exchanger, heat exchange is performed in the ground using a brine such as ethylene glycol, propylene glycol or ethanol as a heat carrier medium, and heat exchange with the refrigerant is performed again in the ground heat pump system to perform cooling and heating .
즉, 지중에 직경 15~20cm, 길이 150~200m로 천공된 보어홀에 고밀도 폴리에틸렌(HDPE) 열교환파이프를 'U'자 형태로 설치하고, 열교환파이프에 브라인을 순환시켜 열교환이 이루어지는 간접열교환방식을 이용하는 것이다.That is, an indirect heat exchange method in which a high density polyethylene (HDPE) heat exchange pipe is installed in a "U" shape in a borehole having a diameter of 15 to 20 cm and a length of 150 to 200 m in the ground and a brine is circulated in the heat exchange pipe .
이와 같은 형태의 지열교환기는 보어홀의 천공된 깊이가 깊고 열교환파이프의 길이가 매우 길어 설치가 용이하지 않으며, 열전도율을 높이기 위하여 열교환파이프 주변을 그라우팅하여야 하는 등 시공 과정이 매우 복잡하다는 문제가 있다.This type of geothermal heat exchanger has a problem that the construction process is very complicated because the perforated depth of the borehole is deep and the length of the heat exchange pipe is very long and it is not easy to install and grouting around the heat exchange pipe is required to increase the heat conductivity.
또한 브라인과 냉매의 열교환을 위한 복잡한 열교환 시스템이 별도로 마련되어야 하며, 브라인과 냉매의 열교환 과정에서 열에너지의 손실이 발생하여 냉난방 효율 또한 크게 저하된다는 문제를 가지고 있다.Further, a complicated heat exchange system for heat exchange between the brine and the refrigerant must be provided separately, and heat energy is lost in the heat exchange process between the brine and the refrigerant, thereby significantly deteriorating the cooling and heating efficiency.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 별도의 지면 천공 과정이나 열교환파이프를 설치하기 위한 중공관 타설 과정을 선행하지 않고 손쉽게 지중에 설치할 수 있는 스크루 파일형 지열교환기를 제시하고자 한다.SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, the present invention has been made keeping in mind the above problems occurring in the prior art, and it is an object of the present invention to provide a screw-type geothermal heat exchanger which can be easily installed in the ground without preceding a ground drilling process or a hollow- I want to present it.
아울러 브라인(brine)을 이용하여 간접적으로 열교환하지 않고 히트펌프 시스템의 냉매를 직접 이용하여 열교환 할 수 있도록 하며, 이와 더불어 냉매의 증발 및 응축이 효과적으로 이루어지도록 하는 새로운 지열교환기 구조를 제시하고자 한다.In addition, we propose a new geothermal heat exchanger structure that enables indirect heat exchange using a brine, heat exchange using the refrigerant of the heat pump system directly, and effective evaporation and condensation of the refrigerant.
상기의 과제를 해결하기 위하여 본 발명은, 지열을 이용한 히트펌프 시스템의 지열교환기에 있어서 : 내부에 상하방향으로 냉매가스 유동공간이 형성되는 상하방향 중공관 형태의 몸체부, 상기 몸체부의 하단부를 폐쇄하도록 마련되되 내부에 상기 냉매가스 유동공간과 연통되는 냉매액 수용공간이 형성되는 하방으로 뾰족한 원뿔 형태의 헤드부, 상기 몸체부의 상단부를 폐쇄하도록 마련되되 굴착장비에 장착 가능한 마개부, 상기 몸체부의 외주면에 상하방향을 따라서 나선형으로 돌출 형성되는 굴착 및 전열 날개를 포함하여 이루어지는 스크루 파일 ; 하단부가 상기 헤드부의 냉매액 수용공간에 위치하고 상하방향 중간부가 상하방향으로 연장되면서 상기 냉매가스 유동공간을 통과하며 상단부가 상기 마개부를 통과하여 상기 마개부의 외부에 위치되며, 상하방향 중간부에 상기 냉매가스 유동공간으로 냉매액을 분사하기 위하여 상하방향으로 이격하여 배치되는 체크밸브 구조의 복수의 냉매액 분사노즐이 마련되고, 하단부에 냉매액의 일방향 유입을 허용하는 체크밸브 구조의 냉매액 회수밸브가 마련되는 냉매액관 ; 하단부가 상기 냉매가스 유동공간에 위치하고 상단부가 상기 마개부를 통과하여 상기 마개부의 외부에 위치하는 냉매가스관 ; 을 포함하여 이루어지며, 상기 냉매가스 유동공간에는 상기 냉매가스 유동공간을 수평방향으로 가로막는 형태로 마련되되 수평방향 일측이 개방된 제1배플(baffle)과 상기 냉매가스 유동공간을 수평방향으로 가로막는 형태로 마련되되 수평방향 타측이 개방된 제2배플(baffle)이 상하방향을 따라서 번갈아 배치되며, 상기 냉매액 분사노즐은 상기 제1배플의 상부 및 상기 제2배플의 상부에 각각 위치하며, 상기 냉매가스관의 하단부는 상기 냉매가스 유동공간의 상부에 위치하며, 제1배플의 상부에 위치한 분사노즐은 상기 제1배플의 타측 방향을 향하고, 상기 제2배플의 상부에 위치한 분사노즐은 상기 제2배플의 일측 방향을 향하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a geothermal heat exchanger of a heat pump system using geothermal heat. The geothermal exchanger includes: a body portion in the form of a vertical hollow tube in which a refrigerant gas flow space is formed in a vertical direction; A head portion having a downwardly pointed conical shape in which a refrigerant liquid accommodation space communicating with the refrigerant gas flow space is formed therein, a stopper portion which is provided to close the upper end portion of the body portion and can be mounted on the excavation equipment, A screw file comprising an excavating and heat transferring blade formed in a spiral shape along a vertical direction; And a lower end portion thereof is located in the refrigerant liquid accommodation space of the head portion and a vertically middle portion thereof extends in the vertical direction and passes through the refrigerant gas flow space and the upper portion passes through the stopper portion and is located outside the stopper portion, A plurality of refrigerant liquid injection nozzles of a check valve structure arranged to be spaced apart from each other in the up-and-down direction for spraying the refrigerant liquid into the gas flow space, and a refrigerant liquid recovery valve having a check valve structure for allowing the refrigerant liquid to flow in one direction A refrigerant liquid pipe provided; A refrigerant gas pipe having a lower end located in the refrigerant gas flow space and an upper end passing through the stopper and positioned outside the stopper; Wherein the refrigerant gas flow space is provided with a first baffle which horizontally blocks the refrigerant gas flow space and whose one side is opened in the horizontal direction and a second baffle which horizontally blocks the refrigerant gas flow space And a second baffle which is open at the other side in the horizontal direction is alternately disposed along the vertical direction and the refrigerant liquid jet nozzle is located at the upper portion of the first baffle and the upper portion of the second baffle, The lower end of the gas pipe is located in the upper portion of the refrigerant gas flow space, the injection nozzle located at the upper portion of the first baffle faces the other side of the first baffle, and the injection nozzle located at the upper portion of the second baffle, As shown in Fig.
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상기에 있어서, 상기 몸체부의 내주면에 윅(wick) 구조가 형성되는 것이 바람직하다.In the above, it is preferable that a wick structure is formed on the inner circumferential surface of the body part.
상기와 같이 본 발명에 의한 스크루 파일형 지열교환기는, 지중에 손쉽게 굴착하여 설치할 수 있으며, 열교환파이프를 별도로 설치하는 번거로운 과정을 거치지 않고도 그 자체로 지열교환기의 기능을 수행할 수 있어 편의성이 매우 뛰어나다.As described above, the screw-type geothermal heat exchanger according to the present invention can be easily installed and installed in the ground, and the geothermal heat exchanger itself can perform the function of the geothermal heat exchanger without the cumbersome process of separately installing the heat exchange pipe, .
특히, 굴착 및 전열 날개로 인하여 지면 굴착이 용이할 뿐만 아니라, 지중에 설치된 이후 굴착 및 전열 날개를 통하여 열교환이 효과적으로 이루어진다.Particularly, excavation and heat transfer wings make it easy to excavate the ground, and heat exchange is effected through excavation and heat transfer wings after being installed in the ground.
또한 본 발명은 냉매액관에 마련된 냉매액 분사노즐과 냉매액 회수 밸브에 의하여 냉매의 증발 및 응축이 보다 효과적으로 이루어지도록 한다.Further, the present invention enables the evaporation and condensation of the refrigerant to be more effectively performed by the refrigerant liquid injection nozzle and the refrigerant liquid recovery valve provided in the refrigerant liquid pipe.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 의한 스크루 파일형 지열교환기의 개념 단면도,
도 2는 도 1의 스크루 파일형 지열교환기의 개념 평면도,
도 3은 도 1의 스크루 파일형 지열교환기의 A-A방향 단면도,
도 4는 도 1이 스크루 파일형 지열교환기의 B-B방향 단면도,
도 5는 도 1의 스크루 파일형 지열교환기를 지중에 설치하는 상태를 도시한 개념도,
도 6은 도 1의 스크루 파일형 지열교환기를 이용한 히트펌프 시스템의 개념도,
도 7은 도 1의 스크루 파일형 지열교환기가 응축기로 사용되는 상태를 도시한 개념도,
도 8은 도 1의 스크루 파일형 지열교환기가 증발기로 사용되는 상태를 도시한 개념도.1 is a conceptual sectional view of a screw-type geothermal heat exchanger according to an embodiment of the present invention;
FIG. 2 is a conceptual plan view of the screw-type geothermal heat exchanger of FIG. 1;
3 is a sectional view of the screw-type geothermal heat exchanger of FIG. 1 in the AA direction,
Fig. 4 is a sectional view of the screw-type geothermal heat exchanger in the BB direction in Fig. 1,
FIG. 5 is a conceptual diagram showing a state in which the screw-type geothermal heat exchanger of FIG. 1 is installed in the ground;
FIG. 6 is a conceptual view of a heat pump system using a screw-type geothermal heat exchanger of FIG. 1;
FIG. 7 is a conceptual diagram showing a state in which the screw-type geothermal heat exchanger of FIG. 1 is used as a condenser;
8 is a conceptual diagram showing a state in which the screw-type geothermal heat exchanger of FIG. 1 is used as an evaporator;
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시례를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시례에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 부여하였다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. The present invention may, however, be embodied in many different forms and should not be construed as limited to the embodiments set forth herein. In order to clearly illustrate the present invention in the drawings, portions not related to the description are omitted, and like reference numerals are given to similar portions throughout the specification. Whenever a component is referred to as "including" an element throughout the specification, it is to be understood that the element may include other elements, not the exclusion of any other element, unless the context clearly dictates otherwise.
도 1은 본 발명의 일 실시례에 의한 스크루 파일형 지열교환기의 개념 단면도이며, 도 2는 도 1의 스크루 파일형 지열교환기의 개념 평면도이며, 도 3은 도 1의 스크루 파일형 지열교환기의 A-A방향 단면도이며, 도 4는 도 1이 스크루 파일형 지열교환기의 B-B방향 단면도이며, 도 5는 도 1의 스크루 파일형 지열교환기를 지중에 설치하는 상태를 도시한 개념도이다.FIG. 1 is a conceptual sectional view of a screw-type geothermal heat exchanger according to an embodiment of the present invention, FIG. 2 is a conceptual plan view of a screw-type geothermal heat exchanger of FIG. 1, FIG. 4 is a cross-sectional view of the screw-type geothermal heat exchanger in the BB direction, and FIG. 5 is a conceptual diagram showing a state in which the screw-type geothermal heat exchanger of FIG. 1 is installed in the ground.
본 발명의 일 실시례에 의한 스크루 파일형 지열교환기(10)는 굴착장비(60)에 장착한 상태로 지면에 직접 굴착하여 설치할 수 있으며, 지중에 설치한 이후 히트펌프 시스템에 연결하면 증발기나 응축기로 즉시 이용할 수 있다.The screw-type
본 실시례에 의한 스크루 파일형 지열교환기(10)는 스크루 파일(100), 냉매액관(200), 냉매가스관(300), 그리고 복수의 제1,2배플(410,420)을 포함하여 이루어진다.The screw file type
우선 스크루 파일(100)에 대하여 설명한다. 스크루 파일(100)은 오거머신과 같은 굴착장비(60)에 장착하여 지면을 직접 굴착할 수 있도록 하는 굴착로드의 형태이다. 스크루 파일(100)을 굴착장비(60)에 장착하고 지면을 굴착하여 지중에 삽입한 뒤 굴착장비(60)에서 분리하면 본 실시례의 스크루 파일형 지열교환기(10)를 지중에 손쉽게 설치할 수 있다.First, the
스크루 파일(100)은 상하방향 중공관 형태의 몸체부(110), 몸체부(110)의 하단부에 마련되는 헤드부(120), 몸체부(110)의 상단부에 마련되는 마개부(130), 그리고 몸체부(110)의 외주면에 형성되는 굴착 및 전열 날개(140)를 포함하여 이루어진다.The
스크루 파일(100)은 굴착장비(60)에 장착된 상태로 지면을 원활하게 굴착할 수 있도록 하고, 지중에 매설된 이후 열교환이 원활하게 이루어지도록 강성과 열전도율이 뛰어난 강관 소재로 제작된다.The
몸체부(110)는 내부에 상하방향으로 냉매가스 유동공간(111)이 형성되는 상하방향 중공관 형태이다. 냉매가스 유동공간(111)은 기체 상태의 냉매인 냉매가스가 유동되기 위한 공간으로서, 냉매가스는 냉매가스 유동공간(111)을 유동하며 지중의 열에너지를 회수하거나 지중으로 열에너지를 발산한다.The
몸체부(110)의 내주면에는 냉매액이 원활하게 증발되도록 하기 위한 윅(wick) 구조(112)가 형성된다. 윅 구조(112)는 몸체부(110)의 내주면에 형성되는 모세관 구조로서, 냉매액이 몸체부(110)의 내주면에 쉽게 흡착되어 증발될 수 있도록 한다. 아울러 접촉면적을 증가시켜 냉매가스의 응축 또한 쉽게 이루어지도록 한다.A
윅 구조(112)를 형성하기 위한 다양한 방법은 종래의 기술로 제시된 바 있다. 본 실시례의 윅 구조(112)는 알루미늄 또는 동을 이용하여 금속 폼(metal foam)이나 스크린 매쉬(screen mesh)의 형태로 제작되거나, 금속 섬유나 금속 스폰지의 형태로 제작된다.Various methods for forming the
헤드부(120)는 몸체부(110)의 개방된 하단부를 폐쇄하도록 마련된다. 헤드부(120)는 하방으로 뾰족한 원뿔 형태이며 이와 같은 헤드부(120)의 형태는 지면 굴착을 용이하게 하기 위한 것이다.The
헤드부(120)의 내부에는 몸체부(110)의 냉매가스 유동공간(111)과 연통되는 냉매액 수용공간(121)이 형성된다. 냉매액 수용공간(121)도 하방으로 뾰족한 원뿔 형태로 형성되어 응축된 냉매액이 헤드부(120)에 쉽게 모일 수 있도록 한다.A refrigerant
마개부(130)는 몸체부(110)의 개방된 상단부를 폐쇄하도록 마련된다. 마개부(130)는 스크루 파일(100)을 굴착장비(60)에 장착할 수 있도록 하기 위한 것으로서, 마개부(130)의 네 모서리 부위에는 굴착장비(60)를 결합하기 위한 장착용 홀(131)이 상하방향으로 형성된다.The
마개부(130)의 장착용 홀(131)을 통하여 굴착장비(60)에 스크루 파일(100)을 장착하는 구조는 일례일 뿐이며, 스크루 파일(100)을 굴착장비(60)에 장착하기 위한 구조는 실시례에 따라서 변경될 수 있다.The structure for mounting the
굴착 및 전열 날개(140)는 몸체부(110)의 외주면에 상하방향을 따라서 나선형으로 돌출 형성된다. 굴착 및 전열 날개(140)는 그 명칭에서 확인할 수 있듯이, 스크루 파일(100)을 지면에서 회전시켜 지중으로 삽입할 때 지면을 손쉽게 굴착할 수 있도록 하며, 지중에 삽입된 이후 전열핀의 역할을 하며 열교환이 효과적으로 이루지도록 한다.The excavation and
본 실시례에서 굴착 및 전열 날개(140)는 몸체부(110)의 외주면은 물론이며 헤드부(120)의 외면에도 동일하게 돌출 형성된다. 즉, 스크루 파일(100)의 전체적인 외형은 스크루 나사의 형태가 된다.In this embodiment, the excavation and
본 실시례에서 굴착 및 전열 날개(140)의 피치(pitch)는 몸체부(110) 외경의 0.3 내지 0.42배이며, 굴착 및 전열 날개(140)의 돌출된 높이는 몸체부(110) 외경의 0.2 내지 0.35배이다. 이는 굴착시 지중으로의 삽입을 용이하게 하고 지중에서의 열교환이 효과적으로 이루어지도록 하기 위한 것이다.In this embodiment, the pitch of the excavation and
한편, 마개부(130)의 상부에는 보호캡(150)이 마련된다. 보호캡(150)은 마개부(130)의 상부로 노출되는 냉매액관(200) 및 냉매가스관(300)을 보호하기 위한 것으로서, 보호캡(150)은 스크루 파일(100)을 굴착장비(60)에 장착할 때 마개부(130)에서 제거된다.On the other hand, a
스크루 파일(100)의 내부 구조에 대하여 설명한다.The internal structure of the
스크루 파일(100)의 내부에는 냉매액관(200)과 냉매가스관(300)이 마련된다. 냉매액관(200)은 액체 상태의 냉매액을 공급하거나 회수하기 위한 배관이며, 냉매가스관(300)은 기체 상태의 냉매가스를 공급하거나 회수하기 위한 배관이다.A refrigerant liquid pipe (200) and a refrigerant gas pipe (300) are provided in the screw file (100). The
아울러 스크루 파일(100)의 내부에는 복수의 제1,2배플(baffle, 410,420)과 배플 지지봉(500)이 마련된다. 제1,2배플(410,420)은 냉매가스 유동공간(111)에 냉매가스의 유동경로를 지그재그 형태로 형성하기 위한 것이며, 배플 지지봉(500)은 제1,2배플(410,420)을 지지하기 위한 것이다.In addition, a plurality of first and
냉매액관(200)은 스크루 파일(100)의 내부에서 상하방향으로 연장되면서 마련된다. 냉매액관(200)의 하단부는 헤드부(120)의 냉매액 수용공간(121)에 위치하고, 냉매액관(200)의 상하방향 중간부는 상하방향으로 연장되면서 냉매가스 유동공간(11)을 통과하며, 냉매액관(200)의 상단부는 마개부(130)를 통과하여 마개부(130)의 외부, 즉 스크루 파일(100)의 외부에 위치한다. The
냉매액 수용공간(121)에 모이는 냉매액은 냉매액관(200)을 통하여 회수된다.The refrigerant liquid collected in the refrigerant
냉매액관(200)의 하단부에는 냉매액 수용공간(121)에서 냉매액관(200)으로의 냉매의 일방향 유입을 허용하는 체크밸브 구조의 냉매액 회수밸브(210)가 마련된다. A refrigerant
냉매액 회수밸브(210)에 의하여 냉매액관(200)으로부터 냉매액 수용공간(121) 방향으로의 냉매의 유동은 금지된다.The refrigerant flow from the
냉매액 회수밸브(210)는 본 실시례의 스크루 파일형 지열교환기(10)가 히트펌프 시스템의 응축기로 작동할 때에만 개방되어 응축된 냉매액을 냉매액관(200)을 통하여 회수할 수 있도록 한다.The refrigerant
냉매가스관(300)은 냉매가스를 스크루 파일(100)의 내부로 공급하거나 스크루 파일(100)로부터 회수하기 위한 것이다.The refrigerant gas pipe (300) is for supplying the refrigerant gas to the inside of the screw pile (100) or recovering it from the screw pile (100).
냉매가스관(300)의 하단부는 냉매가스 유동공간(111)의 상부에 위치하고, 냉매가스관(300)의 상단부는 마개부(130)를 통과하여 마개부(130)의 외부, 즉 스크루 파일(100)의 외부에 위치한다.The lower end of the
복수의 제1,2배플(410,420)은 냉매가스의 유동경로를 변경하기 위하여 냉매가스 유동공간(111)에 설치되는 방해판으로서, 냉매가스 유동공간(111)을 수평방향으로 가로막는 판 형태이다.The plurality of first and
본 실시례의 제1배플(410)은 수평방향 일측 일부가 제거된 원판 형태이며, 제2배플(420)은 수평방향 타측 일부가 제거된 원판 형태이다.The
즉, 제1배플(410)은 냉매가스 유동공간(111)에서 수평방향 타측을 가로막도록 마련되며, 제2배플(420)은 냉매가스 유동공간(111)에서 수평방향 일측을 가로막도록 마련된다.That is, the
제1,2배플(410,420)은 냉매가스 유동공간(111)의 상하방향을 따라서 번갈아 배치되어, 냉매가스 유동공간(111)을 유동하는 냉매가스의 유동경로가 지그재그 형태가 되도록 한다.The first and
제1배플(410)과 제2배플(420)의 형태는 도 3과 도 4에서 확인할 수 있으며, 제1,2배플(410,420)에 의하여 냉매가스 유동공간(111)이 지그재그 형태로 형성되는 것은 도 1에서 확인할 수 있다.The shapes of the
제1,2배플(410,420)은 냉매가스 유동공간(111)을 따라서 유동되는 냉매가스의 이동거리를 증가시키고 냉매가스를 분산시켜 지중에서의 열교환 효율을 높이는 역할을 한다.The first and
냉매액관(200)의 상하방향 중간부에는 체크밸브 구조의 복수의 냉매액 분사노즐(220)이 마련된다. 냉매액 분사노즐(220)은 냉매액관(200)을 통하여 공급되는 냉매액을 냉매액관(200)에서 냉매가스 유동공간(111)으로 분사하기 위한 것이다.A plurality of refrigerant
냉매액 분사노즐(220)은 냉매액관(200)을 따라서 상하방향으로 이격하여 배치된다. 더욱 구체적으로는 제1배플(410)의 상부 및 제2배플(420)의 상부에 각각 배치된다. 제1배플(410)의 상부에 위치한 분사노즐(220)은 제1배플(410)의 타측 방향을 향하고, 제2배플(420)의 상부에 위치한 분사노즐(220)은 제2배플(420)의 일측 방향을 향한다.The
각각의 냉매액 분사노즐(220)이 제1배플(410)의 타측 방향을 향하거나 제2배플(420)의 일측 방향을 향하므로, 냉매액 분사노즐(220)에서 분사되는 냉매액은 제1,2배플(410,420)에 의하여 구획된 공간에 고르게 분포된다.The refrigerant liquid sprayed from the refrigerant
아울러 냉매액의 일부는 제1,2배플(410,420)의 상부에 체류한 상태로 몸체부(110) 내주면에 흡수되어 증발된다. 그리고 증발된 냉매액은 냉매가스 유동공간(111)을 따라서 상승하며 제1,2배플(410,420)에 충돌하게 되며, 이 과정에서 또다시 열교환이 이루어진다.Part of the refrigerant liquid is absorbed in the inner circumferential surface of the
앞서 언급한 바와 같이 냉매액 분사노즐(220)은 체크밸브 구조이며, 히트펌프 시스템에서 냉매액관(200)으로 냉매액이 공급될 때에만 냉매액을 냉매가스 유동공간(111)으로 분사할 수 있도록 작동된다.As described above, the refrigerant
따라서 냉매액 분사노즐(220)은 냉매가 냉매가스 유동공간(111)에서 냉매액관(200)으로 유입되는 것을 차단한다.Accordingly, the refrigerant
냉매액이 냉매액 분사노즐(220)을 통하여 냉매액관(200)에서 냉매가스 유동공간(111)으로 분사되는 동안에는 냉매액관(200)의 냉매액 회수밸브(210)는 닫힌 상태로 유지된다. 그리고 냉매액 수용공간(121)에 모인 냉매액을 냉매액관(200)을 통하여 회수하는 동안에는 냉매액 분사노즐(220)이 닫힌 상태로 유지된다.The refrigerant
스크루 파일(100)의 내부에는 제1,2배플(410,420)이 몸체부(110)의 내부에 안정적으로 고정되도록 하기 위한 배플 지지봉(500)이 마련된다. 배플 지지봉(500)은 지그재그로 배치되는 각각의 제1,2배플(410,420)을 모두 관통하도록 마련되며, 배플 지지봉(500)의 상단부는 마개부(130)에 고정된다.A
본 발명의 일 실시례에 의한 스크루 파일형 지열교환기(10)를 이용한 히트펌프 시스템의 전체적인 구성에 대하여 설명한다.A general structure of a heat pump system using a screw-type
도 6은 도 1의 스크루 파일형 지열교환기를 이용한 히트펌프 시스템의 개념도이다.6 is a conceptual view of a heat pump system using a screw-type geothermal heat exchanger of FIG.
본 실시례의 스크루 파일형 지열교환기(10)는 도 5와 같이 굴착장비(60)에 장착된 상태로 지중에 굴착하여 설치된다. 스크루 파일형 지열교환기(10)는 도 6과 같이 지면에 오목한 홈 형태의 트렌치(T)를 미리 형성하고 스크루 파일(100)의 마개부(130), 냉매액관(200) 그리고 냉매가스관(300)이 지상으로 노출되지 않도록 설치된다.The screw-type
스크루 파일형 지열교환기(10)를 지중에 삽입하여 설치한 이후에 굴착장비(60)를 분리하고 히트펌프 시스템의 압축기(30), 삼방밸브(40), 팽창밸브(50), 실내열교환기(20)를 배관을 통하여 스크루 파일형 지열교환기(10)에 연결한다.After the screw type
스크루 파일형 지열교환기(10)의 냉매액관(200)은 팽창밸브(50)에 연결되고 팽창밸브(50)는 실내열교환기(20)에 연결된다. 팽창밸브(50)는 팽창밸브(50)를 통과하는 냉매액의 압력을 낮추어 냉매액이 쉽게 기화 가능한 상태가 되도록 한다.The
스크루 파일형 지열교환기(10)의 냉매가스관(300)과 실내열교환기(20)는 삼방밸브(40)를 통하여 압축기(30)에 연결된다. 삼방밸브(40)는 압축기(30)를 통과한 냉매가스가 스크루 파일형 지열교환기(10)나 실내열교환기(20)로 이동하도록 냉매의 순환경로를 변경하여 냉난방모드를 전환할 수 있도록 한다.The
도 7은 도 1의 스크루 파일형 지열교환기가 응축기로 사용되는 상태를 도시한 개념도이다.FIG. 7 is a conceptual diagram showing a state in which the screw-type geothermal heat exchanger of FIG. 1 is used as a condenser. FIG.
히트펌프 시스템이 냉방모드로 작동할 때, 본 실시례의 스크루 파일형 지열교환기(10)는 도 7과 같이 응축기로 작동한다.When the heat pump system operates in the cooling mode, the screw-filed
냉매가스관(300)을 통하여 스크루 파일형 지열교환기(10)의 냉매가스 유동공간(111)으로 고온의 냉매가스가 유입된다. 냉매가스는 냉매가스 유동공간(111)을 따라서 하방으로 이동하며 윅 구조(112)의 몸체부(110) 내주면에 흡착되어 열을 지중으로 배출한다.The high-temperature refrigerant gas flows into the refrigerant
냉매가스는 냉매가스 유동공간(111)을 지그재그 형태로 이동하며 지중으로 열에너지를 분산하여 배출한다. 냉매가스의 열에너지는 몸체부(110)에서 굴착 및 전열 날개(140)로 전달되어 지중으로 배출된다.The refrigerant gas moves in a zigzag form in the refrigerant
굴착 및 전열 날개(140)는 지중의 흙, 공기, 지하수 등과 접촉되며, 스크루 파일(100) 전체에 걸쳐 형성되는 굴착 및 전열 날개(140)의 넓은 접촉 면적으로 인하여 신속하고 효과적인 열교환이 이루어진다.The excavation and
지중으로 열에너지를 배출하고 몸체부(110)의 내주면에 응축된 냉매가스는 헤드부(120)의 냉매액 수용공간(121)에 모인다. 냉매액 수용공간(121)에 모인 응축된 냉매가스, 즉 냉매액은 냉매액관(200)을 통하여 스크루 파일형 지열교환기(10)의 외부로 순환된다.The refrigerant gas, which discharges heat energy into the ground and is condensed on the inner circumferential surface of the
냉매액이 냉매액관(200)을 통하여 회수되는 동안 냉매액관(200)의 하단부에 마련되는 냉매액 회수밸브(210)는 도 7과 같이 개방된 상태가 되며, 냉매액관(200)의 외주면에 마련되어 있는 복수의 냉매액 분사노즐(220)은 도 7과 같이 닫힌 상태로 유지된다.While the refrigerant liquid is recovered through the
한편, 냉매를 순환시킬 때 냉매에는 압축기(30)의 오일이 냉매와 함께 스크루 파일형 지열교환기(10)의 내부로 유입될 수 있다. 스크루 파일형 지열교환기(10)의 내부로 유입된 오일은 상기와 같이 스크루 파일형 지열교환기(10)가 응축기로 작동될 때 냉매액과 함께 냉매액관(20)을 통하여 회수된다.On the other hand, when the refrigerant is circulated, the oil of the compressor (30) can be introduced into the interior of the screw pile type geothermal heat exchanger (10) together with the refrigerant. The oil introduced into the screw-type geothermal heat exchanger (10) is recovered through the refrigerant liquid pipe (20) together with the refrigerant liquid when the screw pile type geothermal heat exchanger (10) is operated as a condenser as described above.
도 8은 도 1의 스크루 파일형 지열교환기가 증발기로 사용되는 상태를 도시한 개념도이다.FIG. 8 is a conceptual diagram showing a state in which the screw-type geothermal heat exchanger of FIG. 1 is used as an evaporator; FIG.
히트펌프 시스템이 난방모드로 작동할 때, 본 실시례의 스크루 파일형 지열교환기(10)는 도 8과 같이 증발기로 작동한다.When the heat pump system operates in the heating mode, the screw-filed
냉매액관(200)을 통하여 본 스크루 파일형 지열교환기(10)의 냉매가스 유동공간(111)으로 저온의 냉매액이 유입된다. 냉매액은 냉매액관(200)의 복수의 냉매액 분사노즐(220)을 통하여 제1,2배플(410,420)의 상부로 각각 분사된다. 분사된 냉매액은 윅 구조(112)의 몸체부(110) 내주면에 흡착되며 지중에서 열에너지를 흡수한다.The low-temperature refrigerant liquid flows into the refrigerant
분사된 냉매액 중 일부는 제1,2배플(410,420)의 상면에 체류하며 몸체부(110)의 내주면으로 흡착된다. 흡착된 냉매액은 지중으로부터 열에너지를 흡수하여 증발된다. 증발된 냉매액은 냉매가스 유동공간(111)을 따라서 몸체부(110)의 상부로 상승하며, 이 과정에서 냉매가스가 제1,2배플(410,420)의 하면에 접촉하며 열교환이 추가적으로 이루어지게 된다.Some of the injected refrigerant stays on the upper surface of the first and
기화된 냉매액은 냉매가스가 되어 냉매가스관(300)을 통하여 본 스크루 파일형 지열교환기(10)의 외부로 순환된다.The vaporized refrigerant liquid becomes a refrigerant gas and circulates through the refrigerant gas pipe (300) to the outside of the screw pile type geothermal heat exchanger (10).
굴착 및 전열 날개(140)는 지중의 흙, 공기, 지하수 등에 접촉된 상태로 지중의 열에너지를 흡수하여 냉매액을 기화시킨다. 굴착 및 전열 날개(140)의 넓은 접촉 면적으로 인하여 열에너지를 매우 신속하고 효과적으로 전달할 수 있으며, 이를 통하여 몸체부(110)의 내주면에 흡착된 냉매액을 빠르게 기화시킬 수 있다.The excavation and
기화된 냉매액, 즉 냉매가스가 냉매가스관(300)을 통하여 회수되는 동안 냉매액관(200)의 하단부에 마련되는 냉매액 회수밸브(210)는 도면과 같이 닫힌 상태가 되며 냉매액 분사노즐(220)은 열린 상태가 된다. 아울러 냉매액관(200)의 높은 압력에 의하여 냉매액관(200)의 냉매액은 냉매가스 유동공간(111)으로 힘차게 분사된다.The refrigerant
한편, 난방 운전의 경우에도 압축기(30)의 오일이 냉매와 함께 스크루 파일형 지열교환기(10)의 내부로 유입될 수 있으며, 이 경우 냉매액 수용공간(121)에 오일이 모이게 된다. 이와 같이 모인 오일은 압축기(30)에 장착된 오일 압력 스위치가 작동하면 2~3분 가량 냉방운전으로 전환(오일 회수 모드)하여 스크루 파일형 지열교환기(10)가 응축기로 작동하도록 하여 오일을 냉매액과 함께 냉매액관(20)을 통하여 회수할 수 있다.In the case of the heating operation, the oil of the
전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.It will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the present invention as defined by the following claims .
그러므로 이상에서 기술한 실시례들은 모든 면에서 예시적인 것일 뿐 한정적이 아닌 것으로 이해되어야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.It is therefore to be understood that the above-described embodiments are illustrative in all aspects but are not restrictive. For example, each component described as a single entity may be distributed and implemented, and components described as being distributed may also be implemented in a combined form.
본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.The scope of the present invention is defined by the appended claims rather than the detailed description and all changes or modifications derived from the meaning and scope of the claims and their equivalents are to be construed as being included within the scope of the present invention do.
10 : 스크루 파일형 지열교환기
100 : 스크루 파일 110 : 몸체부
111 : 냉매가스 유동공간 112 : 윅 구조
120 : 헤드부 121 : 냉매액 수용공간
130 : 마개부
140 : 굴착 및 전열 날개
200 : 냉매액관 210 : 냉매액 회수밸브
220 : 냉매액 분사노즐
300 : 냉매가스관
410 : 제1배플 420 : 제2배플
500 : 배플 지지봉10: Screw type geothermal heat exchanger
100: screw file 110:
111: refrigerant gas flow space 112: wick structure
120: head part 121: refrigerant liquid accommodation space
130:
140: Excavation and heat transfer wing
200: refrigerant liquid pipe 210: refrigerant liquid recovery valve
220: Refrigerant liquid spray nozzle
300: Refrigerant gas pipe
410: first baffle 420: second baffle
500: baffle support bar
Claims (4)
내부에 상하방향으로 냉매가스 유동공간이 형성되는 상하방향 중공관 형태의 몸체부, 상기 몸체부의 하단부를 폐쇄하도록 마련되되 내부에 상기 냉매가스 유동공간과 연통되는 냉매액 수용공간이 형성되는 하방으로 뾰족한 원뿔 형태의 헤드부, 상기 몸체부의 상단부를 폐쇄하도록 마련되되 굴착장비에 장착 가능한 마개부, 상기 몸체부의 외주면에 상하방향을 따라서 나선형으로 돌출 형성되는 굴착 및 전열 날개를 포함하여 이루어지는 스크루 파일 ;
하단부가 상기 헤드부의 냉매액 수용공간에 위치하고 상하방향 중간부가 상하방향으로 연장되면서 상기 냉매가스 유동공간을 통과하며 상단부가 상기 마개부를 통과하여 상기 마개부의 외부에 위치되며, 상하방향 중간부에 상기 냉매가스 유동공간으로 냉매액을 분사하기 위하여 상하방향으로 이격하여 배치되는 체크밸브 구조의 복수의 냉매액 분사노즐이 마련되고, 하단부에 냉매액의 일방향 유입을 허용하는 체크밸브 구조의 냉매액 회수밸브가 마련되는 냉매액관 ;
하단부가 상기 냉매가스 유동공간에 위치하고 상단부가 상기 마개부를 통과하여 상기 마개부의 외부에 위치하는 냉매가스관 ;
을 포함하여 이루어지며,
상기 냉매가스 유동공간에는 상기 냉매가스 유동공간을 수평방향으로 가로막는 형태로 마련되되 수평방향 일측이 개방된 제1배플(baffle)과 상기 냉매가스 유동공간을 수평방향으로 가로막는 형태로 마련되되 수평방향 타측이 개방된 제2배플(baffle)이 상하방향을 따라서 번갈아 배치되며, 상기 냉매액 분사노즐은 상기 제1배플의 상부 및 상기 제2배플의 상부에 각각 위치하며, 상기 냉매가스관의 하단부는 상기 냉매가스 유동공간의 상부에 위치하며, 제1배플의 상부에 위치한 분사노즐은 상기 제1배플의 타측 방향을 향하고, 상기 제2배플의 상부에 위치한 분사노즐은 상기 제2배플의 일측 방향을 향하는 것을 특징으로 하는 스크루 파일형 지열교환기.
A geothermal exchanger of a heat pump system using geothermal heat, comprising:
A vertical hollow pipe-shaped body portion in which a refrigerant gas flow space is formed in an upper portion of the body portion, a refrigerant liquid accommodation space communicating with the refrigerant gas flow space in the lower portion of the body portion, A screw file having a conical head, a stopper adapted to close an upper end of the body, the stopper being attachable to an excavating machine, and a drill and an electric fan extending spirally along the vertical direction on the outer circumference of the body;
And a lower end portion thereof is located in the refrigerant liquid accommodation space of the head portion and a vertically middle portion thereof extends in the vertical direction and passes through the refrigerant gas flow space and the upper portion passes through the stopper portion and is located outside the stopper portion, A plurality of refrigerant liquid injection nozzles of a check valve structure arranged to be spaced apart from each other in the up-and-down direction for spraying the refrigerant liquid into the gas flow space, and a refrigerant liquid recovery valve having a check valve structure for allowing the refrigerant liquid to flow in one direction A refrigerant liquid pipe provided;
A refrigerant gas pipe having a lower end located in the refrigerant gas flow space and an upper end passing through the stopper and positioned outside the stopper;
, ≪ / RTI >
Wherein the refrigerant gas flow space is provided with a first baffle which horizontally blocks the refrigerant gas flow space and opens at one side in the horizontal direction and a second baffle which horizontally blocks the refrigerant gas flow space, Wherein the second baffle is disposed alternately along the vertical direction and the refrigerant liquid injection nozzle is located on the upper portion of the first baffle and the upper portion of the second baffle, The injection nozzle located at the upper part of the gas flow space and located above the first baffle is directed toward the other side of the first baffle and the injection nozzle located above the second baffle is directed toward one side of the second baffle Features a screw-type geothermal heat exchanger.
상기 몸체부의 내주면에 윅(wick) 구조가 형성되는 것을 특징으로 하는 스크루 파일형 지열교환기.The method according to claim 1,
And a wick structure is formed on the inner circumferential surface of the body portion.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180104374A KR101948120B1 (en) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | Screw pile type geothermal heat exchanger |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020180104374A KR101948120B1 (en) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | Screw pile type geothermal heat exchanger |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR101948120B1 true KR101948120B1 (en) | 2019-02-14 |
Family
ID=65366155
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020180104374A KR101948120B1 (en) | 2018-09-03 | 2018-09-03 | Screw pile type geothermal heat exchanger |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| KR (1) | KR101948120B1 (en) |
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JP2010002174A (en) * | 2008-05-23 | 2010-01-07 | Daikin Ind Ltd | Heat exchanger, and air conditioning system |
| US20100200192A1 (en) * | 2007-06-26 | 2010-08-12 | Climatisation Par Puits Canadiens | Buried vertical threaded exchanger for heating or cooling apparatus |
-
2018
- 2018-09-03 KR KR1020180104374A patent/KR101948120B1/en active IP Right Grant
Patent Citations (2)
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|---|---|---|---|---|
| US20100200192A1 (en) * | 2007-06-26 | 2010-08-12 | Climatisation Par Puits Canadiens | Buried vertical threaded exchanger for heating or cooling apparatus |
| JP2010002174A (en) * | 2008-05-23 | 2010-01-07 | Daikin Ind Ltd | Heat exchanger, and air conditioning system |
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| E701 | Decision to grant or registration of patent right | ||
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