(57)【要約】【課題】設置穴への挿入時における熱媒管の破損を抑制すると共に、設置穴内での熱媒管の形状及び位置を低コストで安定させることを目的とする。【解決手段】第１の筒状筐体１１と、第１の筒状筐体１１の径方向外側へ設置される第２の筒状筐体１２と、第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２との間に挟持される第１の熱媒管２１と、第１の熱媒管２１の一端に接続され、第１の筒状筐体１１の径方向内側に挿通された第２の熱媒管２２と、第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２と第１の熱媒管２１との間に充填される充填材１４と、第１の筒状筐体１１の径方向内側かつ第２の熱媒管２２の周囲に配置される断熱材と、を有している。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の筒状筐体と、
前記第１の筒状筐体の径方向外側へ設置される第２の筒状筐体と、
前記第１の筒状筐体と前記第２の筒状筐体との間に挟持される第１の熱媒管と、
前記第１の熱媒管の一端に接続され、前記第１の筒状筐体の径方向内側に挿通された第２の熱媒管と、
前記第１の筒状筐体と前記第２の筒状筐体と前記第１の熱媒管との間に充填される充填材と、
を有する、地中熱交換器。
【請求項２】
前記第１の熱媒管は、前記第１の筒状筐体と前記第２の筒状筐体との間に螺旋状に配置される、
請求項１に記載の地中熱交換器。
【請求項３】
前記充填材は、前記第１の熱媒管よりも熱伝導率の高い材料からなる、
請求項１又は請求項２に記載の地中熱交換器。
【請求項４】
前記第１の筒状筐体の径方向内側かつ前記第２の熱媒管の周囲に、断熱材が配置されている請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項５】
前記断熱材は発泡樹脂からなり、前記第２の熱媒管を被覆する、
請求項４に記載の地中熱交換器。
【請求項６】
前記断熱材は、発泡樹脂からなり前記第２の熱媒管を被覆する第１の断熱材と、砂からなる第２の断熱材とを有して構成され、
該第２の断熱材は前記第１の断熱材と前記第１の筒状筐体との間に充填される、
請求項４に記載の地中熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
対地熱交換設備を安価に構築するために、地中に差し込んだ管状杭の内部の空洞に、熱媒体を通すための対地熱交換器を挿入し、該対地熱交換器の周囲に、固形又は固化性の充填剤を充填する構成が開示されている（特許文献１参照）。また地中熱交換器の構成として、掘削した竪穴（設置穴）内に、螺旋状の管体と、該管体の一端から連続して該螺旋の内側に通る管体と、管体の周囲に充填される充填材（ケイ素）を有するものが開示されている（特許文献２参照）。更に地熱の採熱ユニットについて、管体の外周に螺旋状の溝を形成し、該溝に沿ってパイプを配置する構造が開示されている（特許文献３参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−１４８０７９号公報
【特許文献２】特開２００８−９６０１５号公報
【特許文献３】特開２００８−２９２０５６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、特許文献１に係る従来例では、管体（熱媒管）が充填材によってのみ保持される構造である。
【０００５】
特許文献２に係る従来例では、熱媒管の外側に保護筐体がないため、地中竪穴への熱媒管の挿入時に、該熱媒管が竪穴の内壁に接触する可能性がある。これを防ぐために竪穴の径を大きくすると、今度はスペース効率が低下する。また熱媒管における螺旋状流路の中心に、間隔保持部材を介して地中熱媒流路を配置しているので、高コストとなる。
【０００６】
特許文献３に係る従来例では、螺旋溝付き管の加工コストが高くなると考えられる。
【０００７】
本発明は、上記事実を考慮して、設置穴への挿入時における熱媒管の破損を抑制すると共に、設置穴内での熱媒管の形状及び位置を低コストで安定させることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
請求項１の発明は、第１の筒状筐体と、前記第１の筒状筐体の径方向外側へ設置される第２の筒状筐体と、前記第１の筒状筐体と前記第２の筒状筐体との間に挟持される第１の熱媒管と、前記第１の熱媒管の一端に接続され、前記第１の筒状筐体の径方向内側に挿通された第２の熱媒管と、前記第１の筒状筐体と前記第２の筒状筐体と前記第１の熱媒管との間に充填される充填材と、を有している。
【０００９】
請求項１に記載の地中熱交換器では、第１の熱媒管が第１の筒状筐体と第２の筒状筐体との間に挟持され、第１の筒状筐体と第２の筒状筐体と第１の熱媒管との間に充填材が充填されているので、地中の設置穴への挿入時に第１の熱媒管が該設置穴の内壁に接触することがなく、設置穴内での第１の熱媒管の形状及び位置を低コストで安定させることができる。
【００１０】
また第２の熱媒管は、第１の筒状筐体の径方向内側に挿通されているので、設置穴への挿入時に第２の熱媒管が該設置穴の内壁に接触することがなく、該第２の熱媒管の形状及び位置を安定させることができる。この第２の熱媒管は第１の熱媒管の一端に接続されているので、第１の熱媒管と地中との間の熱交換により得られる地中熱を、第２の熱媒管を通じて輸送して、熱源として適宜利用することができる。
【００１１】
請求項２の発明は、請求項１に記載の地中熱交換器において、前記第１の熱媒管が、前記第１の筒状筐体と前記第２の筒状筐体との間に螺旋状に配置されている。
【００１２】
請求項２に記載の地中熱交換器では、第１の熱媒管は、第１の筒状筐体と第２の筒状筐体との間に螺旋状に配置されているので、流路長さ及び採熱有効断面積を大きく確保することができる。これにより、地中熱の採熱効率を更に向上させることができる。
【００１３】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の地中熱交換器において、前記充填材は、前記第１の熱媒管よりも熱伝導率の高い材料からなっている。
【００１４】
請求項３に記載の地中熱交換器では、第１の筒状筐体と第２の筒状筐体と第１の熱媒管との間に充填される充填材が、第１の熱媒管よりも熱伝導率の高い材料からなっているので、第１の熱媒管と地中との間の熱交換がより効率的に行われる。これにより、地中熱の採熱効率をより一層向上させることができる。
【００１５】
請求項４の発明は、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の地中熱交換器において、前記第１の筒状筐体の径方向内側かつ前記第２の熱媒管の周囲に、断熱材が配置されている。
【００１６】
請求項４に記載の地中熱交換器では、断熱材により第２の熱媒管での熱損失を抑制して、地中熱の採熱効率を向上させることができる。
【００１７】
請求項５の発明は、請求項４に記載の地中熱交換器において、前記断熱材は発泡樹脂からなり、前記第２の熱媒管を被覆している。
【００１８】
請求項５に記載の地中熱交換器では、断熱材は発泡樹脂からなり、第２の熱媒管を被覆しているので、第２の熱媒管を熱媒体が通る際に、その周囲との間で熱交換が起きることを抑制できる。これにより、第２の熱媒管での熱損失を抑制して、地中熱の採熱効率を向上させることができる。
【００１９】
請求項６の発明は、請求項４に記載の地中熱交換器において、前記断熱材は、前記第２の熱媒管を被覆する発泡樹脂からなる第１の断熱材と、砂からなる第２の断熱材とを有して構成され、該第２の断熱材は前記第１の断熱材と前記第１の筒状筐体との間に充填されている。
【００２０】
請求項６に記載の地中熱交換器では、断熱材が、発泡樹脂からなる第１の断熱材と、砂からなる第２の断熱材とを有して構成されているので、低コストで地中熱の採熱効率を向上させることができる。また第２の断熱材として砂を用いることにより、地下水による地中熱交換器の浮き上がりを抑制することができる。更に、第１の断熱材と第１の筒状筐体との間に第２の断熱材を充填することにより、第１の筒状筐体と第２の筒状筐体と第１の熱媒管との間に充填される充填材が、第１筒状筐体内に進入することを抑制できる。
【発明の効果】
【００２１】
以上説明したように、本発明に係る請求項１に記載の地中熱交換器によれば、設置穴への挿入時における熱媒管の破損を抑制すると共に、設置穴内での熱媒管の形状及び位置を低コストで安定させることができる、という優れた効果が得られる。
【００２２】
請求項２に記載の地中熱交換器によれば、地中熱の採熱効率を更に向上させることができる、という優れた効果が得られる。
【００２３】
請求項３に記載の地中熱交換器によれば、地中熱の採熱効率をより一層向上させることができる、という優れた効果が得られる。
【００２４】
請求項４に記載の地中熱交換器によれば、地中熱の採熱効率を向上させることができる、という優れた効果が得られる。
【００２５】
請求項５に記載の地中熱交換器によれば、第２の熱媒管での熱損失を抑制して、地中熱の採熱効率を向上させることができる、という優れた効果が得られる。
【００２６】
請求項６に記載の地中熱交換器によれば、低コストで地中熱の採熱効率を向上させることができる、という優れた効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】地中熱交換器を示す部分破断斜視図である。
【図２】地中熱交換器を示す分解斜視図である。
【図３】地中熱交換器の内部構造を示す断面図である。
【図４】地中熱交換器の利用形態の一例を示す模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、本発明を実施するための形態を図面に基づき説明する。図１，図２において、本実施形態に係る地中熱交換器１０は、第１の筒状筐体１１と、第２の筒状筐体１２と、第１の熱媒管２１と、第２の熱媒管２２と、充填材１４と、断熱材１６と、を有している。この地中熱交換器１０は、地中の設置穴の一例たる竪穴１８に挿入して用いられる（図４参照）。
【００２９】
図２において、第１の筒状筐体１１は、例えばアルミニウム等の熱伝導率が高い材質で構成された円筒である。第１の筒状筐体１１の両端は蓋部材２０により封止されている。なお、第１の筒状筐体１１を、一端が封止され他端が開口した有底円筒としておき、該他端側を蓋部材２０により封止するようにしてもよい。
【００３０】
図１，図２において、第２の筒状筐体１２は、第１の筒状筐体１１の径方向外側へ同軸的に設置される円筒である。即ち、地中熱交換器１０は、第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２による二重管構造となっている。
【００３１】
第２の筒状筐体１２の材質は、アルミニウム等の熱伝導率が高いものであることが望ましい。第２の筒状筐体１２の内径は、第１の筒状筐体１１の外径よりも大きく設定されている。第１の筒状筐体１１及び第２の筒状筐体１２において、円筒部分の長さは同等である。第２の筒状筐体１２の軸方向の両端には、複数の地中熱交換器１０を軸方向に直列に連結する際（図４参照）に用いられる連結部１２Ａが、夫々例えば一対ずつ設けられている。一対の連結部１２Ａは、第２の筒状筐体１２の周方向において、互いに点対称となる位置に設けられており、第２の筒状筐体１２の直径方向に対向している。
【００３２】
各々の連結部１２Ａには、地中熱交換器１０の連結に用いられる例えば２つの貫通孔１２Ｂと、例えば１つの貫通孔１２Ｃとが形成されている。貫通孔１２Ｂは、クレーン等による地中熱交換器１０の吊下げ時の支持点として、また地中熱交換器１０同士を連結する連結部材の挿通孔として用いられる。
【００３３】
一方、貫通孔１２Ｃは、地中熱交換器１０同士の連結作業時に、竪穴１８に挿入した地中熱交換器１０を一時的に保持しておくために用いられる。各々の貫通孔１２Ｃの位置は、一方の貫通孔１２Ｃから他方の貫通孔１２Ｃに支持棒（図示せず）を通した際に、該支持棒が第２の熱媒管２２や、該第２の熱媒管２２の上端に取り付けられる管継手３２と干渉しないように、連結部１２Ａの幅方向（第２の筒状筐体１２の周方向）にオフセットされている。
【００３４】
図１，図２において、第１の熱媒管２１は、第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２との間に、直接的に接触挟持された、例えば樹脂管である。樹脂としては、ポリブテン、ポリエチレン、結晶性樹脂等を用いることができる。この第１の熱媒管２１は、第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２との間に螺旋状に配置されている。第１の熱媒管２１の断面形状は、第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２との間に挟持された状態において、略楕円形（長円形）となっている。このときの第１の筒状筐体１１の軸方向における第１の熱媒管２１の外寸は、例えば２５ｍｍであり、第１の筒状筐体１１の半径方向における第１の熱媒管２１の外寸は、例えば１０ｍｍである。第１の熱媒管２１の肉厚は、例えば１．３ｍｍであり、流路は確保されている。
【００３５】
第１の熱媒管２１の１ｍあたりの巻き数は、３０巻き以下である。これは、１ｍあたりの巻き数を３０巻きより多くしても、熱伝導率の上昇が飽和してしまうためである。
【００３６】
図１，図２において、第２の熱媒管２２は、第１の熱媒管２１の下端（一端）に接続され、第１の筒状筐体１１の径方向内側に挿通された、例えばストレート形状の樹脂管である。樹脂としては、第１の熱媒管２１と同様に、ポリブテン、ポリエチレン、結晶性樹脂等を用いることができる。第２の熱媒管２２は、第１の筒状筐体１１よりも長く構成され、両端が該第１の筒状筐体１１から突出している。そして第２の熱媒管２２の下端は、第１の熱媒管２１の下端と、管継手２４により接続されている。組立て性や施工性を考慮して、管継手２４には、第１の熱媒管２１や第２の熱媒管２２を差し込むだけで接続が完了する、所謂ワンタッチジョイントが用いられる。
【００３７】
第１の熱媒管２１の上端には、管継手２８を介して、例えば行き配管２６（図４）が接続されるようになっている。また第２の熱媒管２２の上端には、管継手３２を介して、例えば戻り配管３０（図４）が接続されるようになっている。
【００３８】
図示は省略するが、複数の地中熱交換器１０を直列に連結して用いる場合には、上下に隣り合う第１の熱媒管２１同士が管継手２８により接続され、第２の熱媒管２２同士が管継手３２により接続される。最も地上側に位置する地中熱交換器１０は、行き配管２６及び戻り配管３０に接続される。そして最も地中側に位置する地中熱交換器１０では、第１の熱媒管２１の下端と第２の熱媒管２２の下端が、管継手２４により接続される。
【００３９】
図３において、充填材１４は、第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２と第１の熱媒管２１との間に充填されている。換言すれば、充填材１４は、第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２との間で、第１の熱媒管２１の外側に充填されている。充填材１４は、第１の熱媒管２１よりも熱伝導率の高い材料からなっている。
【００４０】
図３において、断熱材１６は、第１の筒状筐体１１の径方向内側かつ第２の熱媒管２２の周囲に配置されている。この断熱材１６は、第２の熱媒管２２を被覆する発泡樹脂からなる第１の断熱材１６Ａと、砂からなる第２の断熱材１６Ｂとを有して構成されている。第１の断熱材１６Ａは、例えばシート状の発泡樹脂（発泡スチロール）であり、第２の熱媒管２２に巻き付けられている。第２の断熱材１６Ｂは、第１の断熱材１６Ａと第１の筒状筐体１１との間に充填されている。上記したように、第１の筒状筐体１１の両端は、例えば蓋部材２０が溶接、接着等により固定されることで封止されているので、砂からなる第２の断熱材１６Ｂが第１の筒状筐体１１の下端から流出することはない。
【００４１】
図４において、本実施形態に係る地中熱交換器１０は、行き配管２６及び戻り配管３０と接続され、地中に穿孔された竪穴１８において地上から例えば５ｍ以上の深さに設置され、竪穴１８における地中熱交換器１０の周囲は、例えばモルタル３８により埋められる。また地中熱交換器１０の上方部分は、例えば砂３６により埋められる。行き配管２６及び戻り配管３０は、例えば建物３４内に引き込まれ、空調機器の熱交換器（図示せず）に接続される。
【００４２】
（作用）
本実施形態は、上記のように構成されており、以下その作用について説明する。図４において、本実施形態に係る地中熱交換器１０は、地中に穿孔された設置穴である竪穴１８内に設置される。図３に示されるように、地中熱交換器１０においては、第１の熱媒管２１が第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２との間に挟持され、第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２と第１の熱媒管２１との間に充填材１４が充填されているので、竪穴１８（図４）への挿入時に、第１の熱媒管２１が該竪穴１８の内壁に接触することがない。従って、竪穴１８内での第１の熱媒管２１の形状及び位置を低コストで安定させることができる。またこれによって、竪穴１８の径を必要以上に大きくする必要がない。このため、従来よりもスペース効率を高めることができる。
【００４３】
また第２の熱媒管２２は、第１の筒状筐体１１の径方向内側に挿通されているので、竪穴１８への挿入時に第２の熱媒管２２が該竪穴１８の内壁に接触することがない。従って、第２の熱媒管２２の形状及び位置も、第１の熱媒管２１と同様に安定させることができる。
【００４４】
図２に示されるように、第２の熱媒管２２は、管継手２４を介して第１の熱媒管２１の下端に接続されているので、第１の熱媒管２１と地中との間の熱交換により得られる地中熱を、第２の熱媒管２２を通じて輸送して、熱源として適宜利用することができる。具体的には、図４に示されるように、建物３４内の熱交換器（図示せず）と、地中熱交換器１０とを、行き配管２６と戻り配管３０により接続する。行き配管２６は第１の熱媒管２１に接続され、戻り配管３０は第２の熱媒管２２に接続される。そして、管内で熱媒体（不凍液水）を循環させる。矢印Ａ方向が行き方向であり、矢印Ｂ方向が戻り方向である。これにより、第１の熱媒管２１と地中との間で得られる熱を、第２の熱媒管２２及び戻り配管３０を通じて建物３４内に輸送することができる。
【００４５】
地上から例えば５〜１０ｍ程度の深さの地中温度は、年間を通してほぼ一定である。従って、建物３４内の温度が地中の温度よりも低い場合には、地中熱により建物３４内の温度を高めることができる。逆に、建物３４内の温度が地中の温度よりも高い場合には、地中熱により建物３４内の温度を低めることができる。
【００４６】
第１の熱媒管２１は、第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２との間に螺旋状に配置されているので、流路長さ及び採熱有効断面積を大きく確保することができる。また第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２と第１の熱媒管２１との間に充填される充填材１４が、第１の熱媒管２１よりも熱伝導率の高い材料からなっているので、第１の熱媒管２１と地中との間の熱交換がより効率的に行われる。これにより、地中熱の採熱効率を向上させることができる。複数の地中熱交換器１０を直列に接続すると、更に採熱効率を向上させることが可能である。
【００４７】
また第１の筒状筐体１１の径方向内側かつ第２の熱媒管２２の周囲には、断熱材１６が配置されている。この断熱材１６は、発泡樹脂からなる第１の断熱材１６Ａと、砂からなる第２の断熱材１６Ｂとを有して構成されている。第１の断熱材１６Ａで第２の熱媒管２２を被覆し、その周囲に砂からなる第２の断熱材１６Ｂを充填しているので、第２の熱媒管２２を熱媒体が通る際に、その周囲との間で熱交換が起き、熱損失が生じることを抑制できる。
【００４８】
一例として、地上温度が地中温度よりも低い場合、地中熱交換器１０の上部（地上側部分）と下部（地中側部分）とでは、上部の周囲温度が下部の周囲温度よりも若干低くなることが考えられる。このような場合でも、第１の筒状筐体１１の径方向内側かつ第２の熱媒管２２の周囲に断熱材１６を配置しておくことにより、第１の熱媒管２１において暖められた熱媒体が、第２の熱媒管２２を通過する際に冷却されることを抑制できる。これにより、第２の熱媒管２２での熱損失を抑制して、低コストで地中熱の採熱効率を向上させることができる。
【００４９】
また、第１の断熱材１６Ａで第２の熱媒管２２を被覆し、その周囲に砂からなる第２の断熱材１６Ｂを充填することにより、第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２と第１の熱媒管２１との間に充填される充填材１４が、第１筒状筐体内に進入することを抑制できる。
【００５０】
更に第２の断熱材１６Ｂとして砂を用いることにより、地中熱交換器１０の比重を高めて、地下水による地中熱交換器１０の浮き上がりを抑制することができる。
【００５１】
［他の実施形態］
地中熱交換器１０により得られた地中熱は、建物３４の空調に限られず、例えば道路の融雪にも利用することができる。
【００５２】
上記実施形態では、第２の筒状筐体１２に連結部１２Ａが設けられているものとしたが、これに限られず、第１の筒状筐体１１に同様の連結部（図示せず）を設けてもよい。地中熱交換器１０を直接に連結せず、単独で用いる場合には、下端側の連結部１２Ａを省略してもよい。この場合、上端側の連結部１２Ａは、クレーン等による吊下げポイントとして使用することが可能である。
【００５３】
第１の熱媒管２１が螺旋状に配置されるものとしたが、これに限られず、第１の筒状筐体１１と第２の筒状筐体１２の間に挟持されていれば、どのような配置であってもよい。
【００５４】
充填材１４が、第１の熱媒管２１よりも熱伝導率の高い材料からなるものとしたが、熱伝導率が第１の熱媒管２１と同等又はそれ以下の材料からなるものであってもよい。
【００５５】
断熱材１６として、発泡樹脂からなる第１の断熱材１６Ａと砂からなる第２の断熱材１６Ｂを用いるものとしたが、これに限られず、第１の断熱材１６Ａ又は第２の断熱材１６Ｂの何れか一方を用いてもよい。また第１の断熱材１６Ａとして、発泡樹脂を用いるものとしたが、第１の断熱材１６Ａの構成はこれに限られず、例えばグラスウールを用いてもよい。更に、地中熱交換器１０が十分に深い地中に設置され、該地中熱交換器１０の上下での温度差が無視できるような場合、断熱材１６を設けない構造としてもよい。
【符号の説明】
【００５６】
１０    地中熱交換器
１１    第１の筒状筐体
１２    第２の筒状筐体
１４    充填材
１６    断熱材
１６Ａ  第１の断熱材
１６Ｂ  第２の断熱材
１８    竪穴（設置穴）
２１    第１の熱媒管
２２    第２の熱媒管
【図１】
2014005983.tif 000003
【図２】
2014005983.tif 000004
【図３】
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【図４】
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