(57)【要約】【課題】地中熱と熱交換する地中熱利用空調システムを経済的に構築する。【解決手段】地中に管体を埋設して内部の流体と地中熱とで熱交換する空調システムにおいて、地中配管１を内管１１、中管１２、外管１３の３重管で構成し、中間層を真空にして断熱性を付与し、地上にある末端部で外管１３の内側に液体を流入させ、地中の先端部で折り返して内管１１から地上に戻すようにすると、地中配管１の長さを熱交換に必要なだけの長さとすることで反対側の地上まで貫通させる必要がないから、地中熱利用空調システムを経済的に構築できるという効果を奏する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地盤の恒温層内に水平方向に埋設して内部の流体と周囲の地中熱とで熱交換するための少なくとも１０ｍ以上の長い多重管であって、内管と、これを囲む外管、あるいはこれを囲む少なくとも１層の中管と外管とからなる多重管で構成され、前記外管を先端において閉塞するとともに、前記内管を前記外管の先端で開口させて、前記内管と、前記外管と内管とで囲まれる空間とで往復する管路を形成させたことを特徴とする熱交換用多重管。
【請求項２】
前記内管の径が、外管の径の（１／２）１／２以下である請求項１に記載の熱交換用多重管。
【請求項３】
前記内管を熱伝導率の低い材料で構成するとともに、前記外管を熱伝導率の高い材料で構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換用多重管。
【請求項４】
前記内管の外周に熱伝導率の低い材料で構成した断熱層を設けるとともに、前記外管を熱伝導率の高い材料で構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換用多重管。
【請求項５】
前記内管の外周を少なくとも１層の中管で囲み、囲んだ部分の両端を閉塞して内部を真空状態とし断熱層を形成したことを特徴とする請求項４に記載の熱交換用多重管。
【請求項６】
地盤の恒温層内に水平方向に埋設した熱交換用多重管における前記内管を、管長方向に伸び、両端を閉塞された複数の周孔を形成した多孔管で構成し、この周孔に熱媒を封入したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換用多重管。
【請求項７】
地盤の恒温層内に水平方向に埋設した地中配管内と地上の熱交換器との間に液体を循環させ、熱交換器から得られる熱により建物内の被空調空間を冷暖房する地中熱利用空調システムにおいて、前記地中配管が請求項１ないし６のいずれかに記載の熱交換用多重管であることを特徴とする地中熱利用空調システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、配管を地中に埋設して内部の流体と地中熱とで熱交換する空調システムにおける熱交換用多重管、ならびにこれを使用する地中熱利用空調システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
本出願人はさきに、配管を地中に埋設して内部の流体と地中熱とで熱交換する空調システムを開発し、その内容は特許文献１により公開されている。まずこれを簡単に説明する。
【０００３】
図６は特許文献１に記載の地中熱利用空調システム発明を示す構成図で、符号１は地中配管、符号２は冷媒などの液体の循環ポンプ、符号３は熱交換器、符号４は送風機、符号７は循環タンク、符号Ｒは被空調空間である。
【０００４】
地中に埋設した地中配管１内と地上の熱交換器３との間に液体を循環させ、熱交換器３から得られる熱により建物内の被空調空間Ｒを冷暖房する地中熱利用空調システムであって、地中配管１は建物の下部を横断して略円弧状に敷設されている。
【０００５】
これは表層部を除く地表から１０〜１５ｍ以下の地盤（以下「恒温層」という。「帯水層」ともいう。）内の地中温度が、地区にもよるが、例えば年間を通してほぼ１５〜１６℃であることに着目し、恒温層内に埋設した地中配管と地上の熱交換器との間に液体を循環させ、熱交換器から得られる熱により建物内を冷暖房するようにした地中熱利用空調システムであって、１５〜１６℃という温度範囲は、暖房用の目標温度としてはやや低めであるが、冷房用としてはむしろ低すぎるほどであり、年間を通じて建物内を上記の温度範囲に維持することができれば理想的な空調システムが実現するわけである。
【０００６】
地中配管１は建物の下部に埋設されているため、建物の敷地外を工事する必要がなく、敷設のために新たな用地を取得することも不要であるが、既設の建物に対してあとから配管を埋設しようとすれば、建物の外側に水平ボーリングの発進基地となる竪坑を設けるか、あるいは何らかの特殊な工法を採用することを検討しなければならない。
【０００７】
特許文献２には、近年米国で開発された可撓性のロッドを使用する非開削式のボーリング機（以下、「掘進機」という）ならびにこれを使用する工法が記載されている。図７ないし図９よりこれを簡単に説明する。
【０００８】
図７はこの公知の掘進工法を示す概念図で、符号１Ａは前記地中配管１に相当する可撓性の連結ロッド、符号６は掘進ヘッド、符号７は掘進機、符号Ｓは構造物である。構造物Ｓの脇の地上から地中に向けて斜めにボーリングを開始し、所定の深さ、すなわち前記の恒温層に到達したら掘進ヘッドの向きを水平方向に変え、以後は水平にボーリングするのである。ここで、「水平」とは、完全に水平であることに加えて、通常の掘進で許容される範囲内での傾斜状態（例えば±１０°程度）を含む。
【０００９】
図８は特許文献２に記載の掘進ヘッド６の断面図で、符号６１はジェットノズル、符号６２は高圧流体の供給される流体経路である。この例ではジェットノズル６１は掘進ヘッド６の中心軸に対して約５度斜め方向を向いている。したがって掘進ヘッド６に回転を与えながら前進させれば直進するが、回転を与えずに前進させればジェットノズル６１の向きに従って斜め方向に進む。
【００１０】
図９は同じく特許文献２に記載の掘進機の外観図で、符号７は掘進機、符号７０はベース、符号７１はその上を移動する前進フレーム、符号７２は回転用モータ、符号７３はチェーン、符号７４は前進用モータである。前進フレーム７１には連結ロッド１Ａを固定するクランプと、連結ロッド１Ａを把持して回転させるチャックが備えられており、これに前進機構を組み合わせると連結ロッド１Ａを回転させずに前進させたり、回転させながら前進させたりすることができる。
【００１１】
なお、連結ロッド１Ａを中空の管体で構成し、掘進後にこれを地中に残置すればそのまま地中配管となるが、施工の都合で管体以外の連結ロッド１Ａを使用する場合は、貫通後に連結ロッド１Ａに管体を接続して地中に引き込むようにすればよい。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１２】
【特許文献１】特開２００７−６４５４９号公報
【特許文献２】特開昭６１−２５７５０１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
地中配管を図６に示したような略円弧状とすれば、特許文献２に記載の掘進機により施工が可能ではあるが、建物の下を横断して反対側の地上まで到達させるにはかなり長い距離の掘削が必要であり、熱交換に必要な長さを大幅に上回る場合も発生し、非常に不経済である。
【００１４】
本発明は、連結ロッドを管体で構成し、この管体を多重管とすることにより、地中の掘進長を熱交換に必要な限度に留め、経済的な施工で地中熱との熱交換を達成することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
請求項１に記載の本発明は、地盤の恒温層内に水平方向に埋設して内部の流体と周囲の地中熱とで熱交換するための少なくとも１０ｍ以上の長い多重管であって、内管と、これを囲む外管、あるいはこれを囲む少なくとも１層の中管と外管とからなる多重管で構成され、前記外管を先端において閉塞するとともに、前記内管を前記外管の先端で開口させて、前記内管と、前記外管と内管とで囲まれる空間とで往復する管路を形成させたことを特徴とする熱交換用多重管である。
【００１６】
請求項２に記載の本発明は、前記内管の径が、外管の径の（１／２）１／２以下である請求項１に記載の熱交換用多重管である。
【００１７】
請求項３に記載の本発明は、前記内管を熱伝導率の低い材料で構成するとともに、前記外管を熱伝導率の高い材料で構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換用多重管である。
【００１８】
請求項４に記載の本発明は、前記内管の外周に熱伝導率の低い材料で構成した断熱層を設けるとともに、前記外管を熱伝導率の高い材料で構成したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換用多重管である。
【００１９】
請求項５に記載の本発明は、前記内管の外周を少なくとも１層の中管で囲み、囲んだ部分の両端を閉塞して内部を真空状態とし断熱層を形成したことを特徴とする請求項４に記載の熱交換用多重管である。
【００２０】
さらに、請求項６に記載の本発明は、地盤の恒温層内に水平方向に埋設した熱交換用多重管における前記内管を、管長方向に伸び、両端を閉塞された複数の周孔を形成した多孔管で構成し、この周孔に熱媒を封入したことを特徴とする請求項１または２に記載の熱交換用多重管である。
【００２１】
そして請求項７に記載の本発明は、地盤の恒温層内に水平方向に埋設した地中配管内と地上の熱交換器との間に液体を循環させ、熱交換器から得られる熱により建物内の被空調空間を冷暖房する地中熱利用空調システムにおいて、前記地中配管が請求項１ないし５のいずれかに記載の熱交換用多重管であることを特徴とする地中熱利用空調システムである。
【００２２】
なお、本発明で「水平方向」とは、完全に水平な方向に限られないのであり、本発明の目的を損なわない範囲で所定の角度傾斜している方向を含み、例えば±１０°程度傾斜している方向であってもよい。
【発明の効果】
【００２３】
本発明によれば、地中配管を地中熱との熱交換に必要なだけの長さとすればよいので地中熱利用空調システムが経済的、効率的に構築できるという、すぐれた効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施例の多重管の断面図である。
【図２】本発明の第２の実施例におけるひれ付き多孔管の断面図である。
【図３】本発明実施例の多重管の埋設状態を示す概念図である。
【図４】本発明実施例の地中熱利用空調システムの構成図である。
【図５】本発明の多重管の断面寸法を説明する説明図である。
【図６】従来の技術における地中熱利用空調システムの構成図である。
【図７】本発明に係わる従来公知の掘進工法の概念図である。
【図８】従来の技術における掘進ヘッドの断面図である。
【図９】従来の技術における掘進機の外観図である。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本発明の多重管が備えるべき断面寸法について、２重管の例で図面により説明する。
【００２６】
図５（ａ）は二重管の断面を示し、外管の半径をｒ１、内管の半径をｒ２、外管の周長をＬ１、内管の周長をＬ２とする。
【００２７】
本発明では、内管と、外管と内管とで囲まれる空間とで流体を往復させるので、（ｂ）に示すように外管と内管とに囲まれた部分の断面積をＳ１、内管の断面積をＳ２とすると、往復の流量が等しいとすれば、
Ｓ１＝Ｓ２
であり、
π（ｒ１２−ｒ２２）＝π・ｒ２２
となる。ｒ２＞０であるから、
ｒ１＝ｒ２１／２
となる。これがいわば限界値であり、ｒ１がこれ以下になることは好ましくない。
【００２８】
さてこのとき，
Ｌ１＝Ｌ２１／２
であるから，外管と周囲の地層との接触面積は，外管の内側の水と内管の水との接触面積よりも２１／２倍だけ大きい。
【００２９】
そしてｒ１がこれよりも大きければ、あるいはｒ２がこれよりも小さければ、接触面積の比はさらに大きくなる。
【００３０】
このとき内部の流速は、
Ｓ１＝Ｓ２
のときは同じであるが、外管に対して内管が相対的に細くなれば、外側の流れに対して内側の流れが速くなり、地中熱との熱交換はゆっくり行われ，内部同士の熱交換（熱損失）はあまり行わずに排出することができる．
【００３１】
以上から，
（１）内管の径を外管の（１／２）１／２倍よりも細くする。
（２）外管には熱伝導率の高い材料（銅，アルミニウム等）を用い、内管には熱伝導率の低い材料（ステンレス鋼等）を用いる。
（３）外管と内管との中間に断熱層を設けるか、あるいは真空層を設ける。
（４）内管にヒートパイプを使用して外部との熱交換を促進する。
などが有効であり、これにより、地層との交換熱を、内部損失を少なくして外部に取り出すことができる。外管と内管との断熱は、空調システムを昼夜で断続運転する場合などに特に有効である。
【００３２】
以下本発明の望ましい実施例を図面により説明する。
【実施例１】
【００３３】
図１は第１の実施例の地中配管である多重管を示す断面図で、符号１１は内管、符号１２は中管、符号１３は外管、符号１４は真空処理の際の逆止弁である。多重管は、施工の際は図７に示すように掘進ヘッド６の後方に、掘進の進行に伴って継手を介して順次接続されるものであり、配管経路の屈曲に追随できる可撓性を有する。図１では中間を省略して先端部と末端部を示している。構造は内管１１と、これを囲む中管１２と、さらにこの中管１２を囲む外管１３とからなる多重管であり、先端部において前記内管１１と外管１３の内側とを導通させるとともに、前記内管１１と中管１２とで囲まれる空間をこの多重管１の両端で閉塞し、その内部を真空として断熱性を付与し、地上にある末端部では例えば外管１３と中管１２との管に熱交換用の液体を流入させ、内管１１から流出させるように構成する。流れの向きは逆でもよい。前記空間内を真空とする代わりに内管に断熱材を被覆してもよい。いずれにしても内管１１と中管１２とで囲まれる空間を断熱層とすることにより、外側から流入する流体と内管から流出する流体とが隣接しないから、地中熱と熱交換した液体がそのままの状態で地上に戻り、損失がほとんど発生しない。
【００３４】
図１は３重管の例であるが、４重管として断熱層をさらに増やしてもよい。
【実施例２】
【００３５】
図２は第２の実施例における多孔管を示す断面図である。符号１１Ａは多孔管、符号１１１は内外面に設けられた熱伝達のためのひれ（フィン）、符号１１２は管長方向に伸び、両端を閉塞された複数の周孔である。この実施例では、内管としてこのようなひれ付きの多孔管を使用し、この周孔１１２内に熱媒を封入して、いわゆる「ヒートパイプ」を構成し、内管の両面における熱移動を促進させる。ひれはいうまでもなく伝熱面積を増やすためであるから、場合によっては設けなくてもよいし、ひれの代わりに表面に波を形成してもよい。周孔の内面にもひれや波を設けるようにすれば、内部の熱媒の対流を助ける。なお、このような形状の多孔管は、アルミニウム等の押し出し成形で製造可能である。
【００３６】
熱媒は熱媒体ともいい、熱を移動させるために使用される流体の総称であるが、広義には砂や樹脂粉末等の非流体も含む。熱容量が大きいか潜熱が大きく、それ自身は不燃性で毒性がなく安価なものが望ましく、フロン、二酸化炭素、ブライン、アンモニア、シリコン油、砂等、多くの物質が知られている。気体、液体等の相の変化を伴う場合、その変化する圧力や温度が使用条件に合致するものを選定すればよい。
【００３７】
図３は、本発明の多重管の埋設状態を示す概念図で、符号１は多重管である。少なくとも１０ｍ以上の長い多重管が、地盤の恒温層内に略水平方向に埋設されており、多重管１と地上との間で実線の矢印、あるいは破線の矢印のように液体を循環させる。このように本発明の多重管は地上に建物や設備、樹木等があっても、十分な深さとすることにより、それらに支障なく埋設できる。
【００３８】
図４は本発明の多重管を使用した地中熱利用空調システムの構成図で、地中配管１は図１に示したような３重管である。掘進中は連結ロッドとして機能するので、可撓性を有し、掘進の進捗に伴い順次後方に新たなものが接続される。地中配管１は恒温層内で地中熱との熱交換に必要十分な長さを有していればよく、図５と比較すれば明らかなように、反対側の地上まで到達させるための長さよりもはるかに短い距離でよいから、施工がきわめて経済的である。
【００３９】
以上多重管を掘進用の連結ロッドとして使用する例について説明したが、掘進作業は外管のみで行い、掘進後にその内部に内管を挿入するようにしてもよい。この場合、内管を外管の中心位置に保持する必要はあまりないので、保持具等は不要であり、単に挿入すればよい。
【００４０】
採熱、放熱の目的からみて、外管としては熱伝導率の高い鋼管や銅管、内管としては熱伝導率の低いステンレスパイプや塩化ビニル樹脂管などが好ましい。
【符号の説明】
【００４１】
１…地中配管、  １Ａ…連結ロッド、  ２…循環ポンプ、  ３…熱交換器、  ４…送風機、  ５…循環タンク、  ６…掘進ヘッド、  ７…掘進機、  １１…内管、  １１Ａ…多孔管、  １２…中管、  １３…外管、  １４…逆止弁、  ６１…ジェットノズル、  ６２…流体経路、  ７１…前進フレーム、  ７２…回転用モータ、  ７３…チェーン、  ７４…前進用モータ、  １１１…ひれ、  １１２…周孔、  Ｒ…被空調空間、  Ｓ…構造物。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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