(57)【要約】【課題】  水道水の給水圧力と地熱温度を利用して冷房と暖房とを行う。【解決手段】  水道水の給水圧力を利用して作動シリンダ１内に吸入した外気を、水道水の重量を利用して急激圧縮することにより高温圧縮空気を作り出す外気圧縮工程Ａと、外気圧縮工程で作り出された作動シリンダ１内の高温圧縮空気を、地中の地熱ラジエータ１１０と室内ラジエータ１２０とを含む地熱循環水路を流れる水と熱交換させた後に急激膨張させる空気膨張工程Ｂと、を有している。空気膨張工程Ｂを経た空気を家屋の室内に吹き込む空気吹込み工程Ｃと、空気膨張工程Ｂで高温圧縮空気と熱交換して室内ラジエータ１２０に導入した水で室内空気を暖める暖気工程Ｄと、外気圧縮工程Ａで作り出された高温圧縮空気を地熱循環水路を流れる水と熱交換させた後に、徐々に室内に吹き出す暖気吹込み工程Ｅとの３つの工程を、夏期と冬期とで選択的に使い分ける。【選択図】        図４
2006064282.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水道水の給水圧力を利用して作動シリンダ内に吸入した外気を、水道水の重量を作用させて急激圧縮することにより高温圧縮空気を作り出す外気圧縮工程と、外気圧縮工程で作り出された上記作動シリンダ内の高温圧縮空気を、地中に埋設された地熱ラジエータと家屋の室内に設置した室内ラジエータとを含む地熱循環水路を流れる水と熱交換させた後に急激膨張させる空気膨張工程と、を有していると共に、
上記空気膨張工程を経た空気を家屋の室内に吹き込む空気吹込み工程と、上記空気膨張工程で高温圧縮空気と熱交換して上記室内ラジエータに導入された水で室内空気を暖める暖気工程との２つの工程を、夏期と冬期とで選択的に使い分けることができることができるように構成したことを特徴とする地熱利用冷暖房システム。
【請求項２】
水道水の給水圧力を利用して作動シリンダ内に吸入した外気を、水道水の重量を作用させて急激圧縮することにより高温圧縮空気を作り出す外気圧縮工程と、外気圧縮工程で作り出された上記作動シリンダ内の高温圧縮空気を、地中に埋設された地熱ラジエータと家屋の室内に設置した室内ラジエータとを含む地熱循環水路を流れる水と熱交換させた後に急激膨張させる空気膨張工程と、を有していると共に、
上記空気膨張工程を経た空気を家屋の室内に吹き込む空気吹込み工程と、上記空気膨張工程で高温圧縮空気と熱交換して上記室内ラジエータに導入された水で室内空気を暖める暖気工程と、上記外気圧縮工程で作り出された上記作動シリンダ内の高温圧縮空気を上記地熱循環水路を流れる水と熱交換させた後に、徐々に室内に吹き出す暖気吹込み工程との３つの工程を、夏期と冬期とで選択的に使い分けることができることができるように構成したことを特徴とする地熱利用冷暖房システム。
【請求項３】
上記作動シリンダ内への外気の吸入とその作動シリンダ内での外気の圧縮とが、その作動シリンダに付設した駆動シリンダに備わっているピストンの往復動作を通じて行われるようになっていると共に、上記給水圧力と水道水の重量とがこのピストンに選択的に作用することによりこのピストンが往復動作するようになっており、上記作動シリンダへの外気の吸入時に行われるそのピストンの復動によって上記地熱循環水路での水の流動が促されるようになっている請求項１又は請求項２に記載した地熱利用冷暖房システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地熱利用冷暖房システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ヒートポンプを使用した地熱利用空調システムが知られていた（たとえば特許文献１参照）。この地熱利用空調システムは、外気を地中埋設チューブを通して地中熱と熱交換させ、ファンで屋内に吹き出すようになっている。また、ファンの駆動中に屋内温度が所望の設定温度に満たないときに、ヒートポンプを作動させて空調を行うというものである。
【０００３】
【特許文献１】特開２００３−３５４３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、ヒートポンプはその作動によって必ず強い振動を伴うものであり、ヒートポンプを作動させるためのコンプレッサーからは、２、３年の間には多少の冷媒ガスが漏れるということを回避することが困難であることが判っている。このような事情から、自然環境の破壊を来さないことを意図して構築される地熱利用空調システムでヒートポンプを用いることには矛盾があり、そのために、そのような地熱利用空調システムは真に自然環境の破壊を来さない地熱利用空調システムとはなり得ないおそれがある。
【０００５】
本発明は以上の状況の下でなされたものであり、地熱を利用していながら、自然環境を自然のままに保つことが可能な地熱利用冷暖房システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明に係る地熱利用冷暖房システムは、水道水の給水圧力を利用して作動シリンダ内に吸入した外気を、水道水の重量を作用させて急激圧縮することにより高温圧縮空気を作り出す外気圧縮工程と、外気圧縮工程で作り出された上記作動シリンダ内の高温圧縮空気を、地中に埋設された地熱ラジエータと家屋の室内に設置した室内ラジエータとを含む地熱循環水路を流れる水と熱交換させた後に急激膨張させる空気膨張工程と、を有していると共に、上記空気膨張工程を経た空気を家屋の室内に吹き込む空気吹込み工程と、上記空気膨張工程で高温圧縮空気と熱交換して上記室内ラジエータに導入された水で室内空気を暖める暖気工程との２つの工程を、夏期と冬期とで選択的に使い分けることができることができるように構成したものである。
【０００７】
別の本発明に係る地熱利用冷暖房システムは、水道水の給水圧力を利用して作動シリンダ内に吸入した外気を、水道水の重量を作用させて急激圧縮することにより高温圧縮空気を作り出す外気圧縮工程と、外気圧縮工程で作り出された上記作動シリンダ内の高温圧縮空気を、地中に埋設された地熱ラジエータと家屋の室内に設置した室内ラジエータとを含む地熱循環水路を流れる水と熱交換させた後に急激膨張させる空気膨張工程と、を有していると共に、上記空気膨張工程を経た空気を家屋の室内に吹き込む空気吹込み工程と、上記空気膨張工程で高温圧縮空気と熱交換して上記室内ラジエータに導入された水で室内空気を暖める暖気工程と、上記外気圧縮工程で作り出された上記作動シリンダ内の高温圧縮空気を上記地熱循環水路を流れる水と熱交換させた後に、徐々に室内に吹き出す暖気吹込み工程との３つの工程を、夏期と冬期とで選択的に使い分けることができることができるように構成したものである。
【０００８】
そして、上記したそれぞれの発明においては、上記作動シリンダ内への外気の吸入とその作動シリンダ内での外気の圧縮とが、その作動シリンダに付設した駆動シリンダに備わっているピストンの往復動作を通じて行われるようになっていると共に、上記給水圧力と水道水の重量とがこのピストンに選択的に作用することによりこのピストンが往復動作するようになっており、上記作動シリンダへの外気の吸入時に行われるそのピストンの復動によって上記地熱循環水路での水の流動が促されるようになっていることが望ましい。
【０００９】
これらの各発明を実行するためのシステムの具体例や作用などは、後述する実施形態を参照して詳細にする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、作動シリンダ内への外気の吸入が水道水の給水圧力を利用して行われ、作動シリンダ内での外気の急激圧縮が水道水の重量を利用して行われ、夏期の冷房に使われる室内空気よりも低温の空気が高温圧縮空気の急激膨張によって作り出され、冬期の暖房が、上記高温圧縮空気によって暖められた地熱循環水路を流れる水で室内空気を暖めて行われるようになっているので、当該システムの稼働によって強い振動が発生したり漏洩した冷媒ガスで自然環境を破壊するという事態が起こり得ない。そのため、地熱を利用していながら、自然環境を自然のままに保つことが可能な地熱利用冷暖房システムを提供することが可能になる。
【００１１】
また、作動シリンダへの外気の吸入時に行われるピストンの復動によって地熱循環水路での水の流動が促されるようになっているものでは、地熱循環水路で水を流動させるための動力にコストのかかる電力を用いる必要がなくなって経済性に優れる冷暖房システムが得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
図１〜図３は本発明の実施形態に係る地熱利用冷暖房システムを示した構成図である。
【００１３】
同図において、１は作動シリンダを示し、主シリンダ２と補助シリンダ３とを備えている。主シリンダ２には第１駆動シリンダ４、補助シリンダ３には第２駆動シリンダ５がそれぞれ付設されていて、第１駆動シリンダ４内のピストン４１の往復動に主シリンダ２内のピストン２１が追従し、第２駆動シリンダ５内のピストン５１の往復動に補助シリンダ３内のピストン３１が追従する。
【００１４】
作動シリンダ１において、ピストン２１で仕切られた主シリンダ２の第１室２２に開閉弁Ｖ１が備わっている。これに対し、ピストン３１で仕切られた補助シリンダ３の第１室３２と第２室３３とには、家屋の屋根裏に通じる冷気吹出し管６３と家屋の床下に通じる暖気吹出し管６４とがピストン３１の位置に応じて選択的に接続されるようになっていると共に、それらの冷気吹出し管６３と暖気吹出し管６４とにそれぞれ開閉弁Ｖ３，Ｖ４が備わっている。また、第２室３３は、上記主シリンダ２の第１室２２に連通路３４によって連通されている。２３はピストン２１で仕切られた主シリンダ２の第２室２３である。
【００１５】
次に、第１駆動シリンダ４及び第２駆動シリンダ５において、ピストン４１で仕切られた第１駆動シリンダ４の第１室４２と第２室４３とにはそれぞれ入口弁Ｖ５，Ｖ６と出口弁Ｖ７，Ｖ８とが備わり、同様に、ピストン５１で仕切られた第２駆動シリンダ５の第１室５２と第２室５３とにもそれぞれ入口弁Ｖ９，Ｖ１０と出口弁Ｖ１１，Ｖ１２とが備わっている。そして、各入口弁Ｖ５，Ｖ６，Ｖ９，Ｖ１０に水道水管路８１が並列に分岐接続されている。
【００１６】
次に、地熱循環水路１００を説明する。地熱循環水路１００には、地中に埋設された地熱ラジエータ１１０と、家屋の室内に配備された室内ラジエータ１２０と、主シリンダ２を取り巻く熱交換路１３０とが含まれている。そして、地熱ラジエータ１１０の入口１１１に、第１駆動シリンダ４の第１室４２と第２駆動シリンダ５の第２室５３とが、それぞれ出口弁Ｖ７，Ｖ１２と給水管路１１２とを介して接続され、地熱ラジエータ１１０の出口１１３が、送水管路１１４を介して上記熱交換路１３０の入口１３１に接続されている。一方、室内ラジエータ１２０の入口１２１に、熱交換路１３０の出口１３２が開閉弁Ｖ１３を有する送水管路１２２を介して接続され、室内ラジエータ１２０の出口１２３が、戻り管路１２４によって貯蔵タンク１４０に接続されている。また、この戻り管路１２４には、第１駆動シリンダ４の第２室４３の出口弁Ｖ８から延びる管路１２５と、開閉弁Ｖ１４を有して熱交換路１３０の出口から延びる管路１２６と、第２駆動シリンダ５の第１室の出口弁Ｖ１１から延びる管路１２７とが接続されている。
【００１７】
上記貯蔵タンク１４０はエアー抜き１４１を備えている。また、この貯蔵タンク１４０の出口１４２に、家屋居住区の便所（洗面所）に備わっているロータンク（不図示）に通じる給水管１４３が接続されていると共に、その内部には、満端時に駆動される汲上げポンプＰを備えて上記した水道水管路８１に接続された戻し管路１４４の始端１４５が挿入されている。
【００１８】
この地熱利用冷暖房システムの初期状態では、図１に示した第１駆動シリンダ４の第１室４２と、第２駆動シリンダ５の第２室５３、地熱ラジエータ１１０、室内ラジエータ１２０、給水管路１１２、送水管路１１４、熱交換路１３０、送水管路１２２、戻り管路１２４などが水道水管路８１から供給された水でほゞ満たされていて、第１駆動シリンダ４のピストン４１や第２駆動シリンダ５のピストン５１は押し下げられている。この初期状態を作り出すときには、作動シリンダ１に備わっている開閉弁Ｖ１，Ｖ３，Ｖ４を除くすべての弁Ｖ５〜Ｖ１４を全て開いて水道水管路８１から水道水を供給する。
【００１９】
この地熱利用冷暖房システムでは、図４に示した工程、すなわち外気圧縮工程Ａと、空気膨張工程Ｂとが行われると共に、夏期の冷房サイクルで冷気吹込み工程Ｃが行われ、冬期の暖房サイクルで暖気工程Ｄと暖気吹込み工程Ｅとが行われる。
【００２０】
外気圧縮工程Ａには、主シリンダ２の第１室２２への外気吸入工程と、同第１室２２での外気の急激圧縮工程とが含まれていて、図２は外気吸入工程、図３は外気の急激圧縮工程を示している。
【００２１】
図２のように、外気吸入工程は、入口弁Ｖ６，Ｖ９を開き、出口弁Ｖ８，Ｖ１１を閉じると共に、開閉弁Ｖ１を開き、開閉弁Ｖ３，Ｖ４を閉じた状態で、水道水管路８１を経て第１駆動シリンダ４の第２室４３と第２駆動シリンダ５の第１室５２とに水道水を宅内給水圧力である４気圧で供給することにより、第１駆動シリンダ４のピストン４１に追従させて主シリンダ２のピストン２１を往動させ、併せて、第２駆動シリンダ５のピストン５１に追従させて補助シリンダ３のピストン３１を往動させることによって行われる。なお、補助シリンダ３の第１室３２には外気吸込み逆止弁Ｗ１接続されていて、この逆止弁Ｗ１の通気作用によってピストン３１の往動が支障なく行われる。この外気吸入によって、外気吸入管６１を通して主シリンダ２の第１室２２に常温の外気が吸入される。
【００２２】
図３のように、外気の急激圧縮工程は、入口弁Ｖ５と出口弁Ｖ８を開き、入口弁Ｖ６，Ｖ９，Ｖ１０を閉じ、開閉弁Ｖ１，Ｖ３，Ｖ４を閉じ、出口弁Ｖ７，Ｖ１１，Ｖ１２を閉じた状態で、水道水管路８１を経て第１駆動シリンダ４の第１室４２に短時間内に送り込まれる多量の水道水の重量をピストン４１に加重することによって行われる。このように第１駆動シリンダ４の第１室４２に短時間内に十分に多量の水道水を送り込んでその重量をピストン４１に加重するためには、入口弁Ｖ５の直上流側で入口弁Ｖ５に接続されている水道水管路８１に、十分な重量を加重し得るだけの水量を蓄えることのできる大口径の管を採用しておくことが有益である。この工程では第１駆動シリンダ４のピストン４１が主シリンダ２のピストン２１を急激に往動させるので、主シリンダ２の第１室２２の外気が急激に圧縮されて高温度に発熱し、それによって主シリンダ２の第１室２２の外気が高温圧縮空気となる。この高温圧縮空気に対して空気膨張工程Ｂが行われる。なお、第１駆動シリンダ４の第２室４３の水に空気が混ざっているときには、その空気を含む水が貯蔵タンク１４０に送られて空気がエアー抜き１４１から逃がされ、水は、貯蔵タンク１４０に入って蓄えられる。この場合、貯蔵タンク１４０が満端であるときには、汲上げポンプＰの作動により水が戻し管路１４４を経て水道水管路８１に戻される。さらに、貯蔵タンク１４０の水は、家屋居住区の便所に備わっているロータンクの水が使われたときに給水管１４３を経てロータンクに蓄えられる。
【００２３】
空気膨張工程Ｂには、外気圧縮工程Ａで作り出された記高温圧縮空気の冷却工程と、冷却後の圧縮空気を急激膨張させて冷気を作り出す急激膨張工程とが含まれる。
【００２４】
高温圧縮空気の冷却工程は、地熱ラジエータ１１０で地熱温度（年間を通じて約１７℃に一定している）に保たれた熱交換路１３０の水と主シリンダ２の第１室２２内の高温圧縮空気との間の熱交換によって行われる。すなわち、熱交換路１３０の水は、第１駆動シリンダ４の第１室４２に水道水が給送されてそのピストン４１が往動することによって流動するので、主シリンダ２の第１室２２内の高温圧縮空気は熱交換路１３０を流動する水により冷やされる。
【００２５】
急激膨張工程は、入口弁Ｖ５，Ｖ１０と出口弁Ｖ８，Ｖ１１を開き、入口弁Ｖ６，Ｖ９と出口弁Ｖ７，Ｖ１２を閉じ、開閉弁Ｖ１，Ｖ３，Ｖ４を閉じた状態で行われ、この急激膨張工程では、主シリンダ２の第１室２２の圧縮空気が連通路３４を経て補助シリンダ３の第２室３３に急激に流入することにより膨張して温度の低い空気となる。
【００２６】
したがって、開閉弁Ｖ３を開くと、補助シリンダ３の第２室３３の温度の低い空気が冷気吹出し管６３を経て図１矢印Ｆ１のように屋根裏に吹き込まれ、その後、居住区を下降する。このため、開閉弁Ｖ３を開くことによって、補助シリンダ３の第２室３３の空気を夏期の冷房に用いることができる。これが図４の空気吹込み工程である。
【００２７】
これに対し、開閉弁Ｖ３を閉じたままとし、その代わりに開閉弁Ｖ４を開いて補助シリンダ３の第２室３３の空気をゆっくりと膨張させて図１の矢印Ｆ２のように暖気吹出し管６４から床下に吹き込んで図４の暖気吹込み工程Ｅを行ったり、また、上記した高温圧縮空気の冷却工程で高温圧縮空気から熱を奪った熱交換路１３０の水を、開閉弁Ｖ１３を開くことによって室内ラジエータ１２０を通過して流し、この室内ラジエータ１２０で室内空気を暖めると、図４の暖気工程Ｄが行われて冬期の暖房が行ったりすることができる。
【００２８】
この実施形態において、地熱ラジエータ１１０や室内ラジエータ１２０、熱交換路１３０で水を循環させるための動力は、第１駆動シリンダ４のピストン４１や第２駆動シリンダ５のピストン５１の往復動によって得られる。また、図示していないけれども、主シリンダ２、補助シリンダ３、第１駆動シリンダ４、第２駆動シリンダ５、入口弁Ｖ５を含むそれぞれの弁には逆止弁が必要に応じて取り付けられていて、ピストン２１，３１，４１，５１などの圧力制御要素の動作の円滑性を確保している。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施形態に係る地熱利用冷暖房システムによるある状態での構成図である。
【図２】同システムの他の状態での構成図である。
【図３】同システムのさらに他の状態での構成図である。
【図４】同システムで行われる工程図である。
【符号の説明】
【００３０】
１  作動シリンダ
１１０  地熱ラジエータ
１２０  室内ラジエータ
Ａ  外気圧縮工程
Ｂ  空気膨張工程
Ｃ  空気吹込み工程
Ｄ  暖気工程
Ｅ  暖気吹込み工程
【図１】
2006064282.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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