(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地下水を熱源とし、上記地下水と利用側熱媒体との間で熱交換を行う地下水を利用した揚水型熱交換装置において、
上記地下水を採水するための井戸と、地表から地中に向けて掘削された熱交換井と、上記熱交換井内に収納された熱交換器と、上記井戸から地下水を汲み上げて上記熱交換井内に給水する揚水手段と、上記熱交換器内に上記利用側熱媒体を循環させる循環手段と、上記利用側熱媒体の温度を検出する温度センサと、上記温度センサの検出信号に基づいて上記揚水手段を制御する制御手段とを備え、
上記熱交換器として、熱媒体流入側の第１端管と熱媒体流出側の第２端管との間に、可撓性を有する複数本のパイプを並列的に接続してなる面状熱交換器が用いられ、上記面状熱交換器が渦巻き状に巻回された状態で上記熱交換井内に収納されており、
上記制御手段には、基準水温としての地下水温度ＥＷと、上記地下水温度ＥＷよりも高い第１の閾値温度ＨＴと、上記地下水温度ＥＷよりも低い第２の閾値温度ＬＴとが設定されており、
上記制御手段は、上記利用側熱媒体の温度ＷＴがＷＴ≧ＨＴもしくはＷＴ≦ＬＴのとき、上記揚水手段を駆動して上記井戸から地下水を新たに汲み上げて上記熱交換井に給水し、上記利用側熱媒体の温度ＷＴをＬＴ＜ＷＴ＜ＨＴの範囲内に保つことを特徴とする揚水型熱交換装置。
【請求項２】
地下水を熱源とし、上記地下水と利用側熱媒体との間で熱交換を行う地下水を利用した揚水型熱交換装置において、
上記地下水を採水するための井戸と、地表から地中に向けて掘削された熱交換井と、上記熱交換井内に収納された熱交換器と、上記井戸から地下水を汲み上げて上記熱交換井内に給水する揚水手段と、上記熱交換器内に上記利用側熱媒体を循環させる循環手段と、上記利用側熱媒体の温度を検出する温度センサと、上記温度センサの検出信号に基づいて上記揚水手段を制御する制御手段とを備え、
上記熱交換井は、少なくとも一部分に水が浸透する透水壁を有し、上記熱交換井内には上記熱交換器が収納される上面が開口された貯水タンクが設けられ、上記貯水タンク内に上記揚水手段により地下水が給水され、上記貯水タンクからオーバーフローした貯留水が上記熱交換井の上記透水壁から地中内に戻され、
上記制御手段には、基準水温としての地下水温度ＥＷと、上記地下水温度ＥＷよりも高い第１の閾値温度ＨＴと、上記地下水温度ＥＷよりも低い第２の閾値温度ＬＴとが設定されており、
上記制御手段は、上記利用側熱媒体の温度ＷＴがＷＴ≧ＨＴもしくはＷＴ≦ＬＴのとき、上記揚水手段を駆動して上記井戸から地下水を新たに汲み上げて上記熱交換井に給水し、上記利用側熱媒体の温度ＷＴをＬＴ＜ＷＴ＜ＨＴの範囲内に保つことを特徴とする揚水型熱交換装置。
【請求項３】
上記制御手段は、上記利用側熱媒体の温度ＷＴがほぼ上記地下水温度ＥＷに達したときに、上記揚水手段を停止させることを特徴とする請求項１または２に記載の揚水型熱交換装置。
【請求項４】
上記熱交換井には、上記貯水タンク内の上記貯留水を循環させるエアフロー手段が設けられていることを特徴とする請求項２に記載の揚水型熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地下水を熱源側（一次側）の熱媒体とし、利用側（二次側）の熱媒体との間で熱交換を行う揚水型熱交換装置に関し、さらに詳しく言えば、小規模の井戸を用いて少ない水で効率的な熱交換を行うことができる揚水型熱交換装置に関する。
【０００２】
地下水を汲み上げて利用する揚水型熱交換器としては、例えば特許文献１に記載されているように、井戸から地下水を汲み上げるための揚水ポンプと、揚水ポンプから汲み上げられた井戸水と利用側の熱媒体との間で熱交換する熱交換器とを備え、地下水と利用側との間で熱交換した地下水を再び井戸に戻すようにしたものがある。
【０００３】
しかしながら、この揚水型熱交換装置には、次のような課題がある。すなわち、都市部では、新しく地下水の揚水施設（井戸）を設置する場合は、設置する井戸の深さや径、揚水ポンプの吐出口の断面積やモータ出力、さらに１日の揚水量などに対して規制がある。また、既存の井戸に関しても３００ワットを超える揚水ポンプを使用している場合には、自治体に年間揚水量を報告する例が多い。
【０００４】
また、従来の熱交換器は、多層熱交換板の間に地下水（一次側熱媒体）と二次側熱媒体とを交互に流す、いわゆるプレート熱交換器が用いられる場合が多いが、プレート熱交換器は、プレート間のギャップが狭いため、プレートの間にゴミが詰まったりスケールが付着して、長期間にわたって使用するにはやや難があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１７２３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
そこで、本発明の課題は、小型の井戸から汲み上げられる地下水を有効に活用するとともに、限られたスペース内において高い熱交換効率を有する揚水型熱交換装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するため、本発明は以下に示すいくつかの特徴を備えている。すなわち、地下水を熱源とし、上記地下水と利用側熱媒体との間で熱交換を行う地下水を利用した揚水型熱交換装置において、上記地下水を採水するための井戸と、地表から地中に向けて掘削された熱交換井と、上記熱交換井内に収納された熱交換器と、上記井戸から地下水を汲み上げて上記熱交換井内に給水する揚水手段と、上記熱交換器内に上記利用側熱媒体を循環させる循環手段と、上記利用側熱媒体の温度を検出する温度センサと、上記温度センサの検出信号に基づいて上記揚水手段を制御する制御手段とを備え、上記制御手段には、基準水温としての地下水温度ＥＷと、上記地下水温度ＥＷよりも高い第１の閾値温度ＨＴと、上記地下水温度ＥＷよりも低い第２の閾値温度ＬＴとが設定されており、上記制御手段は、上記利用側熱媒体の温度ＷＴがＷＴ≧ＨＴもしくはＷＴ≦ＬＴのとき、上記揚水手段を駆動して上記井戸から地下水を新たに汲み上げて上記熱交換井に給水し、上記利用側熱媒体の温度ＷＴをＬＴ＜ＷＴ＜ＨＴの範囲内に保つことを特徴としている。
【０００８】
また、上記制御手段は、上記利用側熱媒体の温度ＷＴがほぼ上記地下水温度ＥＷに達したときに、上記揚水手段を停止させることを特徴としている。
【０００９】
さらに、上記熱交換器として、熱媒体流入側の第１端管と熱媒体流出側の第２端管との間に、可撓性を有する複数本のパイプを並列的に接続してなる面状熱交換器が用いられ、上記面状熱交換器が渦巻き状に巻回された状態で上記熱交換井内に収納されていることを特徴としている。
【００１０】
上記熱交換井は、少なくとも一部分に水が浸透する透水壁を有し、上記熱交換井内には上記熱交換器が収納される上面が開口された貯水タンクが設けられ、上記貯水タンク内に上記揚水手段により地下水が給水され、上記貯水タンクからオーバーフローした貯留水が上記熱交換井の上記透水壁から地中内に戻されることを特徴としている。
【００１１】
上記熱交換井には、上記貯水タンク内の上記貯留水を対流させるエアフロー手段が設けられていることを特徴としている。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、地下に設置された貯水タンクにシート状の熱交換器をロール状に巻回した状態で収納し、その貯水タンクに地下水を注水することで、小型の井戸であっても地下水を有効的に熱交換に利用できる。さらには、都市部の宅地などの小さなスペースにも組み込むことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の一実施形態に係る揚水型熱交換装置の構成を模式的に示す模式図。
【図２】熱交換井とサービスマンホールの構造を説明する説明図。
【図３】熱交換シートを示す正面図。
【図４】（ａ）冷房運転時における地下水温の変化と循環ポンプのオンオフ動作の制御を説明する説明図，（ｂ）暖房運転時における地下水温の変化と循環ポンプのオンオフ動作の制御を説明する説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の一実施形態について図面を参照しながら説明するが、本発明はこれに限定されない。
【００１５】
図１に示すように、この揚水型熱交換装置１は、地下水を採水するための井戸２と、井戸水を汲み上げるための揚水手段３と、地下水と利用側の熱媒体との間で熱交換をするための熱交換ユニット４と、利用側熱源としてのヒートポンプユニット５からの熱媒体を循環させるための循環手段７と、熱交換ユニット４に向けて空気を送り込むエアフローユニット８と、それらを制御する制御ユニット９を備えている。
【００１６】
井戸２は、地表面から地中に向けてほぼ垂直に掘削された地下水井であって、その内部には採水管２１が挿入されている。
【００１８】
揚水手段３は、一端が井戸２の採水管２１に接続され、他端が貯水タンク４２の底部に配置された揚水パイプ３１と、同揚水パイプ３１に設けられた揚水ポンプＰ１とを備え、揚水ポンプＰ１は制御部９によって運転制御される。
【００１９】
揚水ポンプＰ１は、自治体等による揚水規制対象とならない揚水能力を有することが好ましく、より具体的には、出力が３００Ｗ以下で、さらに揚水ポンプＰ１の吐出口の断面積が６ｃｍ２以下の揚水ポンプＰ１が好ましい。
【００２０】
熱交換ユニット４は、地表面からほぼ垂直に掘削された図示しない掘削坑に沿って地中内に埋め込まれる筒状のケーシング４１と、ケーシング４１の内側に配置され、地下水が貯水される貯水タンク４２とを備えている。この実施形態において、熱交換井は、ケーシング４１である。
【００２１】
この実施形態において、ケーシング４１は、角筒状のコンクリート枠を所定高さ（この実施形態では３段）となるように積み上げたものからなるが、これ以外の形状や材質は、掘削坑の形状に合わせて任意に選択されて良い。この実施形態において、ケーシング４１の大きさは縦６０ｃｍ×横６０ｃｍ×深さ１５０ｃｍである。
【００２２】
貯水タンク４２は、例えば円筒状に形成された防水性を有するシート製の簡易タンクであって、ケーシング４１の内部に配置されている。貯水タンク４２は、これ以外に漁船用の水タンクが用いられても良く、地下水を貯水可能であれば、その材質や大きさなどは任意に選択されて良い。この実施形態において、貯水タンク４２の大きさは、直径４５ｃｍ×高さ９０ｃｍの円筒状である。
【００２３】
貯水タンク４２の内部には、熱交換シート４３がロール状に巻回された状態で収納されている。熱交換シート４３は、内部に循環手段７によって利用側の熱媒体が循環するシート体からなり、一端側に循環手段７の循環パイプ７１の吐出側が接続され、他端側に循環パイプ７１の排出側が接続されている。
【００２４】
図３に示すように、熱交換シート４３は、細長い熱交換チューブ４３１を互いに平行となるように多数敷き並べ、その両端を接続パイプ４３２，４３３によって連結することで、１枚のシート状（カーペット状）に形成されたものからなる。熱交換シート４３には、熱交換チューブ４３１をシート状に束ねておくための梁部４３４が設けられている。
【００２５】
これによれば、シート状の熱交換シート４３を一端側から他端側に向かってロール状に巻き、それを貯水タンク４２に収納することにより、メンテナンス時に熱交換シート４３を簡単に取り出すことができ、表面に付着した汚れなどを簡単に洗い流すことができ、長期間にわたって良好な熱交換効率およびメンテナンス性を維持することができる。
【００２６】
この実施形態において、ケーシング４１と貯水タンク４２との間には、所定の空間が設けられている。貯水タンク４２の底から地下水を注水して、溢れた水がケーシング４１の底から地中に排出されるようになっている。
【００２７】
利用側熱源としてのヒートポンプユニット５には、例えばエアコンなどの冷凍サイクルユニットが用いられている。この実施形態において、ヒートポンプユニット５は、エアコンの熱媒体と、循環手段７の熱媒体とが利用側熱交換器６を介して一旦熱交換されたのち、循環手段７の熱媒体が熱交換ユニット４にて熱交換される。なお、場合によってはヒートポンプユニット５の熱冷媒を直接熱交換ユニット４に引き込んでも良い。
【００２８】
循環手段７は、熱媒体が循環する循環パイプ７１と、循環ポンプＰ２とを有し、熱媒体を介して熱交換シート４３と利用側熱交換器６との間で熱の授受を行う閉回路である。循環手段７に用いられる熱媒体としては、例えば濃度２０〜４０％のエチレングリコール溶液などの不凍液が用いられるが、熱媒体は仕様に応じて任意に変更されてよい。
【００２９】
エアフローユニット８は、空気をエアポンプＰ３を介して貯水タンク４２に向けて送り出す送風管８１と、貯水タンク４２の底部に配置されたヘッド部８２とを備え、ヘッド部８２から貯水タンク４２に吹き出された空気が上昇する力を利用して、貯水タンク４２内の水を循環するようになっている。
【００３０】
図２を参照して、熱交換ユニット４の隣には、揚水手段３、循環手段７、エアフローユニット８、さらには各センサ類のコントローラユニットなどを収納しておくためのサービスマンホール１０が設置されている。
【００３１】
サービスマンホール１０は、地表から地中に向けて形成された掘削孔に沿って、熱交換ユニット４と同じコンクリート枠からなるケーシング１１を嵌め込むことによって形成されており、サービスマンホール１０と熱交換ユニット４とは地中内に設けられたサービストンネル１２によって連通している。
【００３２】
これによれば、熱交換ユニット４とサービスマンホール１０とがともに隣接した状態で設置され、それらが地下で連通していることにより、より設置スペースが少なくて済み、さらにメンテナンス性が良好である。
【００３３】
図１および図２を参照して、この揚水型熱交換装置１には、循環パイプ７１内を流れる熱媒体の温度を計測するための温度センサ１３を備えている。温度センサ１３は、循環パイプ７１内を流れる熱媒体の温度ＷＴを常時計測し、その計測データをサービスマンホール１０内に設けられた制御ユニット９に送信するようになっている。
【００３４】
次に、図４（ａ），（ｂ）を参照して、揚水型熱交換装置１の制御手順の一例について説明する。予め制御ユニット９には、基準水温としての地下水温度ＥＷと、上記地下水温度ＥＷよりも高い第１の閾値温度ＨＴと、上記地下水温度ＥＷよりも低い第２の閾値温度ＬＴとが設定されている。
【００３５】
図４（ａ）に示すように、ヒートポンプユニット７が冷房運転を始めると、貯水タンク４２内の貯留水は、熱冷媒の放熱により地下水温から徐々に温められてゆく。制御ユニット９は、貯水タンク４２内の温度センサ１３からの温度データに基づき、循環パイプ７１内を流れる利用側の熱媒体の温度ＷＴが、地下水温度ＥＷよりも高い第１の閾値温度ＨＴ（例えば水温２５℃）となった段階で、揚水手段３の揚水ポンプＰ１を起動する。
【００３６】
これにより、井戸２内の新しい地下水が貯水タンク４２の底部から供給される。他方、暖められた貯留水は、貯水タンク４２の上部からオーバフローしてケーシング４１の底に排出されたのち、地中内に吸収されて戻される。
【００３７】
貯水タンク４２内に新しい地下水が供給されることにより、貯水タンク４２内の温度は徐々に低下し、循環パイプ７１内を流れる熱媒体の温度がポンプ停止温度（この実施形態では地下水温度ＥＷ＝１７℃に設定）に達すると、制御ユニット９は、揚水手段３の揚水ポンプＰ１を停止させる。
【００３８】
次に、ヒートポンプユニット７が暖房運転時には、貯水タンク４２内の水は、熱冷媒の吸熱により基準温度よりも冷やされるようになる。そこで、制御ユニット９は、温度センサ１３からの温度データに基づき、循環パイプ７１内を流れる熱媒体の温度が第２の閾値温度ＬＴ（例えば水温５℃）となった段階で、揚水手段３の揚水ポンプＰ１を起動する。
【００３９】
これにより、貯水タンク４２内に新しい地下水が供給され、水温が上昇し、循環パイプ７１内を流れる熱媒体の温度がポンプ停止温度（この実施形態では地下水温度ＥＷ＝１７℃に設定）に達すると、制御ユニット９は、揚水手段３の揚水ポンプＰ１を停止させる。
【００４０】
このように制御ユニット９は、利用側の熱媒体の温度ＷＴがＷＴ≧ＨＴもしくはＷＴ≦ＬＴのとき、揚水手段３を駆動して井戸２から地下水を新たに汲み上げて貯水タンク４２に給水し、循環パイプ７１内を流れる熱媒体の温度ＷＴをＬＴ＜ＷＴ＜ＨＴの範囲内に保つ。
【００４１】
これによれば、採水量が限られた小規模な井戸であっても、必要に応じて地下水を汲み上げて熱交換させることにより、地下水を有効活用して熱交換を行うことができる。さらに、シート状の熱交換シートをロール状に巻いた状態で貯水タンクに収納することで、省スペースでありながら効率的な熱交換が行えるばかりでなく、簡単に取り出して洗えるため、メンテナンス性も極めてよい。
【符号の説明】
【００４２】
１  揚水型熱交換装置
２  井戸
３  揚水手段
４  地中熱熱交換ユニット
５  ヒートポンプユニット
６  利用側熱交換器
７  循環手段
８  エアフローユニット
９  制御ユニット
１０  サービスマンホール
１３，１４  温度センサ
【図１】
0005857000.tif 000002
【図２】
0005857000.tif 000003
【図３】
0005857000.tif 000004
【図４】
0005857000.tif 000005