(57)【要約】【課題】  土壌からの伝熱効率を向上させて装置を小型化し、装置の専有面積、設置経費及び運転経費を低下させ、狭い土地にも設置できる地中熱交換器を提供する。【解決手段】  本発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器は、傾斜され、横置されて地中に埋設された金属製の直管であって、両端が長軸と直交する２端面で封鎖され、高い方の端面に設けられた上端面の上部と、低い方の端面に設けられた下端面の下部と、のそれぞれに上部熱媒体出入口及び下部熱媒体出入口が設けられ、直管内部の断面積が３１４ｃｍ２以上であり、上端面と下端面との間隔と高低差との比が３：１乃至１００：１の範囲であり、直管の周囲にコンクリ−ト層又はモルタル層が設けられたことを特徴とする。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
傾斜され、横置されて地中に埋設された金属製の直管であって、
前記直管は、両端が長軸と交差する２個の端面で封鎖され、
高い方の端面に設けられた上端面の上部と、低い方の端面に設けられた下端面の下部と、のそれぞれに上部熱媒体出入口及び下部熱媒体出入口が設けられ、
前記直管内部の断面積が３１４ｃｍ２以上であり、
前記上端面と下端面との距離と高低差との比が３：１乃至１００：１の範囲であり、
前記直管の周囲にコンクリ−ト層又はモルタル層が設けられたことを特徴とする太管横置傾斜式対流型地中熱交換器。
【請求項２】
前記直管は、前記上端面と下端面との間隔と、前記直管内部の断面積と同一の面積を有する円の直径と、の比が３：１乃至１００：１の範囲であることを特徴とする請求項１に記載の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器。
【請求項３】
前記コンクリート層又はモルタル層は、厚さが１００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１または２に記載の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器。
【請求項４】
前記直管は、地表から直管の最下部までの距離が１乃至１０ｍであることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器。
【請求項５】
穴を掘削する工程と、
請求項１乃至４に記載の直管を前記穴の底部に設置する工程と、
前記穴を所定の深さまでコンクリート層又はモルタル層で埋め戻してコンクリート層又はモルタル層を設ける工程と、
穴を土で埋め戻す工程と、
を有することを特徴とする太管横置傾斜式対流型地中熱交換器の設置方法。
【請求項６】
請求項１乃至４の何れか１項に記載の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器の１以上と、
熱媒体及び該熱媒体を循環させる送液手段と、
前記地中熱交換器と連通され、前記熱媒体が循環されて熱エネルギーを吸収又は／及び排出して利用する２次側熱交換器と、
を備えることを特徴とする太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置。
【請求項７】
前記送液手段は、前記熱媒体を前記地中熱交換器の上部熱媒体出入口から下部熱媒体出入口方向への送液と、下部熱媒体出入口から上部熱媒体出入口方向への送液と、が切換可能であることを特徴とする請求項６に記載の太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、太管横置傾斜式対流型地中熱交換器、太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置、及びその設置方法に係り、より詳しくは、地中熱交換器の単位長さあたりの熱交換量を増大させて、装置の占有面積、設置経費、及び運転経費が低減された太管横置傾斜式対流型地中熱交換器、太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置、及びその設置方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、再生可能エネルギーの一つとして、地中に埋設したパイプ内に水、ブライン、不凍液、エタノール、二酸化炭素等の１次側熱媒体を循環させて大地から熱エネルギーを移動させる地中熱利用熱交換器を備え、大地の保有する地中熱エネルギーを、２次側熱交換器に移動させて利用するクローズドライン型の地中熱利用ヒートポンプシステムが注目されている。
【０００３】
この地中熱利用ヒートポンプは、システムが消費する電力より多くの熱エネルギーを大地から取り出して負荷機に供給することができ、消費した地中熱エネルギーは大地から補給されるので、再生可能エネルギーの利用であり、自然環境への汚染は起こらないという特徴を有する。
【０００４】
また、再生可能エネルギーである太陽光発電及び風力発電が、天候、季節、及び日照時間等に大きく影響されるのに比べて、地中熱利用ヒートポンプシステムは、年間を通じて温度がほぼ一定であり、天候にも左右されないため、年間を通じて安定した運転が可能であるという特徴を有する。
【０００５】
地中熱利用熱交換器は、大別すると、例えば直径３４ｍｍの熱交換パイプを地中に５０〜１５０ｍ挿入する垂直型と、地下数メートルの所に水平に熱交換パイプを設ける水平型と、の２種類がある。アメリカでは、水平型地中熱交換器を利用したシステムが一般住宅用としても普及してきた。しかし、従来型の直径３４ｍｍのパイプを用いた水平型地中熱交換器を設けるには、広い土地が必要である。
【０００６】
一方、土地の狭い日本では、従来は垂直型地中交換器が主として用いられてきたが、地中に深い垂直孔を掘るために多大な経費が必要であるという問題点がある。狭い土地でも設置できる太管水平型地中熱交換器を備える地中熱交換器も開示されたが、直径の大きな管を利用する地中熱交換器は管の内部に温度差が異なる水層を生じて伝熱効率が低下し、その性能は満足できるものではなかった（例えば特許文献１参照）。伝熱効率を上げるためには、管内にフィンや撹拌手段を設ける必要がある（例えば特許文献２参照）。
【０００７】
更に、地中熱利用ヒートポンプシステムには、大地から熱媒体へのエネルギーの熱伝導における熱抵抗が大きいという問題がある。この問題に対処するために、垂直式熱交換器のパイプを挿入するために掘削した穴をコンクリートで埋め戻した地中熱利用ヒートポンプシステム（例えば引用文献３を参照）が開示された。このシステムは、単位当たりの熱交換量を増加させることはできたが、設置経費を軽減することはできなかった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６−２２０４０２号公報
【特許文献２】特開２００９−２８７９１４号公報
【特許文献３】特許第５５９０３６５公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、かかる課題を解決するために考案されたものであって、土壌から熱媒体への伝熱効率を向上して単位管長当たりの熱伝導量の大きい地中熱交換器を提供し、狭い土地でも低価格で設置できる対流型地中熱交換器を提供することを課題とする。
また、本発明は、装置を小型化して設置経費及び運転経費を低下させた地中熱交換装置を提供することを課題とする。
更に、本発明は、上記課題を解決するために、設置作業が簡単であって、設置経費が低い地中熱交換装置の設置方法を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は、かかる課題を解決するためになされたものであって、傾斜され、横置されて地中に埋設された金属製の直管であって、該直管は、両端が長軸と直交する２個の端面で封鎖され、高い方の端面に設けられた上端面の上部と、低い方の端面に設けられた下端面の下部と、のそれぞれに上部熱媒体出入口及び下部熱媒体出入口が設けられ、直管内部の断面積が３１４ｃｍ２以上であり、上端面と下端面との距離と高低差との比が３：１乃至１００：１の範囲であり、前記直管の周囲にコンクリ−ト層又はモルタル層が設けられたことを特徴とする。
【００１１】
前記直管は、上端面と下端面との間隔と、直管内部の断面積と同一の面積を有する円の直径と、の比が３：１乃至１００：１の範囲であることが好ましい。
【００１２】
前記コンクリート層又はモルタル層は、厚さが１００ｍｍ以上であることが好ましい。
前記直管は、地表から直管の最下部までの距離が１乃至１０ｍであることができる。
【００１３】
本発明に係る太管横置傾斜式対流型地中熱交換器の設置方法は、穴を掘削する工程と、請求項１乃至４に記載の直管を穴の底部に設置する工程と、穴を所定の深さまでコンクリート層又はモルタルで埋め戻してコンクリート層又はモルタル層を設ける工程と、穴を土で埋め戻す工程と、を有することを特徴とする。
【００１４】
また本発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置は、請求項１乃至４の何れか１項に記載の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器の１以上と、熱媒体及び該熱媒体を循環させる送液手段と、地中熱交換器と連通され、熱媒体が循環されて熱エネルギーを吸収又は／及び排出して利用する２次側熱交換器と、を備えることができる。
【００１５】
前記送液手段は、熱媒体を地中熱交換器の上部熱媒体出入口から下部熱媒体出入口方向への送液と、下部熱媒体出入口から上部熱媒体出入口方向への送液と、が切換可能であることが好ましい。
【発明の効果】
【００１６】
本発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器は、上端面と下端面との間隔と高低差との比が３：１乃至１００：１の範囲に横置傾斜され、上端面の上部と下端面の下部とに熱媒体出入口を設けて熱媒体を供給／排出することによって、横置傾斜された直管の内部に対流が発生し、熱媒体が撹拌されると共に、直管の管壁と熱媒体が相対速度を持って接するので伝熱効率が増加した。
【００１７】
また本発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器は、直管部分が金属製でその周囲にコンクリート又はモルタル層を埋め戻して土壌と熱媒体との間の空気を排除したので伝熱抵抗が小さく、かつ太管であって広い伝熱面積有するので、高い地中熱交換量を確保することができる。
【００１８】
本発明の地中熱交換器は横置型であるので、直管の最上部から地表までの穴の深さが１〜１０ｍで済むので、垂直型地中熱交換器を設置する場合の設置コストの大部分を占める穴を掘削するための費用を大幅に削減することができる。
また、高い地中熱交換量を確保することができるので装置を小型化することができ、設置経費と運転経費を削減することができる。
【００１９】
本願の一実施例によれば、本願発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器は、従来の細管水平式地中熱交換器に対し単位長あたり１４．４の伝熱量を有する。換言すれば、該実施例の長さ１１ｍの太管横置傾斜式対流型地中熱交換器は、長さ１５８．４ｍの冷却管を有する従来の細管水平式地中熱交換器に相当することになる。
これによって狭い面積の土地にも水平型地中熱交換器を、安価に設けることができると共に、運転コストを軽減することができるという特徴を有する。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明の１実施例による太管横置傾斜式対流型地中熱交換器の長軸に沿った縦断面図である。
【図２】図１のａ−ａの視断面図である。
【図３】本発明の地中熱交換器により熱媒体が冷却／加熱される場合に生じる対流の模式図である。
【図４】本発明の地中熱交換器により熱媒体が加熱／冷却される場合に生じる対流の模式図である。
【図５】本発明の１実施例による太管横置傾斜式対流型地中熱交換器の設置方法を示す工程図である。
【図６】本発明の１実施例による太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置の構成図である。
【図７】本発明の管の内径の異なる地中熱交換器の熱媒体入口及び出口の平均温度のグラフである。
【図８】本発明の内径５００ｍｍの地中熱交換器と、従来技術の細管水平式地中熱交換装置との伝熱量と、を比較するグラフである。
【図９】内径５００ｍｍで長さが１１ｍの太管横置傾斜式対流型地中熱交換器と、内径３４ｍｍで長さが１１ｍ従来技術の細管水平式地中熱交換装置と、の熱媒体入口温度及び出口温度との平均値を比較した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
地中熱交換器の伝熱量は伝熱面積に比例するので、伝熱量を増加させるためには伝熱面積を拡大することが基本になる。しかし、垂直型地中熱交換器は、例えば内径３４ｍｍの細管を用いるので、充分な伝熱面積を得るためには地下５０〜１５０ｍの深さまで掘削しなければならなかった。
また、地中熱交換器は、設置費用が高いのが最大の課題であった。そして、垂直型地中熱交換器の設置費用の大部分は、掘削費用が占めていた。
【００２２】
発明者は、地中熱交換器の設置価格を低下させるために、伝熱効率が低くて従来はあまり顧みられなかった太管式水平型地中熱交換器に着目した。そして熱交換管を水平からわずかに傾けて横置すると共に、地中熱交換器の材質を金属にし、更に熱交換器の周囲をコンクリートで埋め戻して土壌からの伝熱効率を増加させたところ、意外にも、熱交換器の内部に熱媒体の強力な対流が発生して、熱媒体が撹拌され、また対流による管壁との相対流速が生ずることによって更に熱伝達性が向上し、コンクリート層又はモルタル層及び金属製の管壁を介して、土壌と熱媒体との極めて効果的な熱交換が行われ、地中熱交換器の伝熱量が飛躍的に増大しすることを見出した。
【００２３】
［地中熱交換器］
図１は本発明の１実施例による太管横置傾斜式対流型地中熱交換器の長軸に沿った縦断面図であり、図２はその横断面図である。
図１、２に示すように、本発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器１０は、一端が他端より高くなるように傾斜して横置されて地中に埋設された金属製の直管１１と、該直管１１の高い方の端面を封鎖する上端面１２と、低い方の端面を封鎖する下端面１３と、上端面１２の上部に設けられた上部熱媒体出入口１４と、下端面１３の下部に設けられた下部熱媒体出入口１５と、直管１１の外側を囲むように設けられたコンクリ−ト層又はモルタル層１５と、を有する。
【００２４】
ここで、直管１１に金属を用いる理由は、土壌から熱媒体へのエネルギー伝達の抵抗を減少させるためのものである。用いる金属の種類は、熱伝導率が高く十分な剛性を有するものであれば特に制限されないが、好ましい実例として、鉄、鋼鉄、及びステンレス鋼を挙げることができる。なお、鉄及び鋼鉄は、防錆加工して用いることができる。また、クローズドライン型の地中熱交換器であれば、初期腐食は進行するものの、以後は熱媒体に含まれる酸化成分は消費されるので以後に腐食は進行することがない。
また、直管１１の断面形状は、本発明に用いることができるものであれば特に限定されず、例えば円形、四角形、菱型、楕円型等を含むことができる。具体的には、安価で入手が容易で機械的強度も優れる円管を用いることが好ましい。
【００２５】
更に、従来は、地中熱交換器を土壌、砂、珪砂等で埋め戻していたために、埋め戻した部分から空気を排除することができず、その空気が原因で土壌から熱媒体へのエネルギーの伝達の大きな抵抗になっていた。本発明は、空気が混在するのを防ぐために、コンクリート層又はモルタル層を直管１１の周囲に流し込んで埋め戻し固化させて空気を排除することが好ましい。
【００２６】
ここで、太管横置傾斜式対流型地中熱交換器１０の直管１１は、上端面１２と下端面１３との高低差Ｈと、上端面１２と下端面１３の距離Ｌと、の比が、１：３〜１：１００の範囲であることが好ましく、１：５〜１：５０の範囲であることがより好ましい。前記の比が、１：３未満では、熱媒体の対流が十分に発達せず撹拌効果が不十分になることがあり、１：１００を超えると傾斜が少なすぎて熱媒体の対流を発生させることができないことがある。
【００２７】
また、本発明の直管１１は、長軸と直交する面の断面積と同一の面積を有する円（即ち上端面１２又は下端面１３の面積と同一の面積を有する円）の直径Ｗと、上端面１２と下端面１３の距離Ｌと、の比が１：３乃至１：１００の範囲であることが好ましく、１：５〜１：５０の範囲であることがより好ましい。前記の比が、１：３未満では、対流が十分に発達せず、対流による撹拌効果が不十分になることがあり、１：１００を超えると直管１１が細くなりすぎて熱媒体２０の内部抵抗が大きくなって、充分な強さを有する熱媒体の対流を発生させることができないことがある。
【００２８】
更に、本発明は、上端面１２及び下端面１３の面積と同一の面積を有する円の内径Ｗが２００ｍｍ以上であることが好ましく、２９０ｍｍ以上であることがより好ましい。前記円の内径が２００ｍｍ未満では、熱媒体２０の内部抵抗が大きくなって、充分な強さを有する熱媒体の対流を起すことができないことがある。
【００２９】
また更に、本発明の、直管１１を囲むコンクリート層又はモルタル層は、平均厚さが１００ｍｍ以上であることが好ましい。コンクリート層又はモルタル層の平均厚さが１００ｍｍ未満では、土壌と熱媒体１２間のエネルギー移動の抵抗が大きすぎて十分なエネルギー移動ができずに、横型横置傾斜太管型１の熱伝導率が低下すると共に、充分な強さを有する熱媒体の対流を惹起することができないことがある。
また、空気を多く含む軟弱な土壌は熱伝導率が低いので、地中熱交換器を設置する場合はコンクリート層又はモルタル層が厚い方が好ましいが、厚いコンクリート層又はモルタル層を設けるためン位は費用がかかる。最適なコンクリート層又はモルタル層の厚さは、設置場所の状況によって異なる。
【００３０】
更にまた、本発明の直１１管は、地表から直管の最下部までの距離が１〜１０ｍであることができ、より好ましくは、１．５〜７ｍであり、最も好ましい例として２〜５ｍの範囲を挙げることができる。
地表から直管の最下部までの距離が１ｍ未満では、地中熱交換器の温度安定性及び土壌のエネルギー供与能力が十分でないことがある。また地中熱交換器の性能から見れば、埋める深さは深い方がよいが、深さが１０ｍを越えても掘削費用の増加に見合う地中熱交換器の性能の向上は見られないことがあり、好ましくない。
【００３１】
［対流］
本発明は、熱交換器の内部に熱媒体の強力な対流を発生させて熱媒体を撹拌し、また対流による管壁との相対流速を生じさせることによって熱伝達性を向上させて地中熱伝熱器の伝熱量を飛躍的に増大させた。
図３は、本発明の地中熱交換器により熱媒体が冷却される場合に生じる対流の模式図である。
図３に示すように、本発明の１実施形態によれば、地中熱交換器１０の上部熱媒体出入口１４から供給された加熱された熱媒体２０ａは、直管１１の上端面１２近傍の管壁１７ａに接触して冷却され、管壁１７ａに沿った下降流２１ａとなり、直管１１の底部の下向傾斜に沿った下部層流２２を生じる。この下部層流２２は、管壁１７全面の下降流２１を合わせて流速及び流量が増大し更に冷却されて下端面１３に到達し、その一部が下部熱媒体出入口１５から冷却された熱媒体２０ｂとして取り出される。一方、下部層流２２の残部は、下端面１３に衝突して反転上昇流２３となる。該反転上昇流２３は、管壁１７全面に沿った下降流２１に熱媒体を補給するための負圧に吸引されて上部層流２４を生じ、これによって安定した対流が形成され、熱媒体２０が撹拌される。
【００３２】
このような対流が生じていることは、地中熱交換器１０の運転中は、直管の表面温度が上部熱媒体出入口１４付近、中央部、及び下部熱媒体出入口１５のいずれもほとんど差がないが、運転を停止すると上部熱媒体出入口１４付近の温度が上昇し、下部熱媒体出入口１５の温度が低下することによって確認された。
【００３３】
図４は、本発明の地中熱交換器により熱媒体が加熱される場合に生じる対流の推定図である。
図４に示すように、本発明の他の実施形態によれば、地中熱交換器１０の下部熱媒体出入口１５から供給された冷却された熱媒体２０ｂは、直管１１の下端面１３近傍の管壁１７ｂに接触して加熱され、管壁１７ｂに沿った上昇流２５ｂとなり、直管１１の頂部の上向傾斜に沿った上部層流２４を生じる。この上部層流２４は、管壁１７全体の上昇流２５を合わせて流速及び流量が増大し更に加熱されて上端面１２に到達し、その一部が上部熱媒体出入口１４から加熱された熱媒体２０ａとして取り出される。一方、上部層流２４の残部は、上端面１２に衝突して反転下降流２６となり、該反転下降流２６が管壁１７全体に沿った上昇流２５に熱媒体２０を補給するための負圧に吸引されて下部層流２２が生じ、これによって安定した対流が形成され、熱媒体２０が撹拌される。
【００３４】
対流を発生させる主な起動力は、熱媒体２０を冷却する場合は、直管１１の傾斜に沿って下端面１３方向へ向かう下部層流２２であり、熱媒体２０をする場合は、直管１１の傾斜に沿って上端面１２方向へ向かう上部層流であると推定される。
なお、図３に示す熱媒体を冷却／加熱する場合は、上部熱媒体出入口から加熱された熱媒体を供給し下部熱媒体出入口から冷却された熱媒体を取り出し、図４に示す熱媒体を加熱／冷却する場合は、下部熱媒体出入口から冷却された熱媒体を供給し上部熱媒体出入口から加熱された熱媒体を取り出す例を示した。しかし、地中熱交換器１０に熱媒体を供給及び取り出す方向は、上記の例に限定されるものではない。
【００３５】
［設置方法］
図５は、本発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器の設置方法を示す工程図である。
図５に示すように、本発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器の設置方法は、第１工程として穴を掘削する工程を有する。ここで、なお、第２工程に入る前に、コンクリート又はモルタルで土台を設けることができる。
【００３６】
次いで、第２工程として、地中熱交換器の本体部分である直管を、上端面と下端面との距離と高低差との比が３：１乃至１００：１となる傾斜をつけて設置する。なお、第１工程において、あらかじめ所定の傾斜をつけた穴を掘ることができる。
直管は、上端面と下端面との間隔と、長軸と直交する面の断面積と同一の面積を有する円の内径と、の比が３：１乃至１００：１の範囲であることができる。また、前記直管は、前記円の内径が、２００ｍｍ以上であることができる。
【００３７】
次いで、第３工程として、前記直管を設置した穴を、空気が入り込まないように注意しながら、コンクリート層又はモルタルで埋め戻してコンクリート層又はモルタル層を形成する。コンクリート層又はモルタル層は、平均厚さが１００ｍｍ以上であることが好ましい。
次いで、第４工程として、前記穴を土で埋め戻して本発明の地中熱交換器が完成する。
本発明の地中熱交換器の設置方法は、地中熱交換器の本体部分と土壌の部分との間に空気を排除するために、穴を所定の深さまでコンクリート層又はモルタルで埋め戻すことを特徴とする。
【００３８】
［地中熱交換装置］
図６は、本発明の１実施例による太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置の構成図である。
図６に示すように、本発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置１は、１以上の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器１０と、２次側熱交換器３０と、送液手段４０と、を有し、作用機５０にエネルギーを供給する。
本発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置１は、地中熱交換器１０の上部熱媒体出入口１４及び下部熱媒体出入口１５それぞれと、２次側熱交換器３０の熱媒体出入口３２、３３とが送液管３３で連通され、該熱媒配管３３上に送液手段４０が設けられたクローズドライン型の地中熱利用ヒートポンプ装置であることが好ましい。
【００３９】
また、本発明の送液手段４０は、熱媒体を地中熱交換器１０の上部熱媒体出入口１４から下部熱媒体出入口１５方向への送液と、下部熱媒体出入口１５から上部熱媒体出入口１４方向への送液と、が切換可能であることが好ましい。
また、本発明の送液手段４０は、下部熱媒体出入口１５のみから、又は上部熱媒体出入口１４方向のみから送液することができる。
【００４０】
更に本発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置１は、２以上の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器１０を備えることができる。太管横置傾斜式対流型地中熱交換器１０は、それぞれの熱交換器の上部熱媒体出入口１４それぞれと、下部熱媒体出入口１５それぞれと、が連通されて並列に設置されることができる。
また、２以上の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器１０は、それぞれの前記太管横置傾斜式対流型地中熱交換器１０の上部熱媒体出入口１４と、隣接する太管横置傾斜式対流型地中熱交換器１０の下部熱媒体出入口１５とが直列一路に連通されることができる。
【００４１】
（実施例１）
内径５００ｍｍ長さ１１ｍの鋼管の両端に、上端面１２及び下端面１３を取り付けて封鎖し、上端面１２の最上部及び下端面１３の最下部それぞれに上部熱媒体出入口１４及び下部熱媒体出入口１５を突設して内径５００ｍｍの直管１１を製造した。
次いで、地面に幅１３００ｍｍ、長さ１２ｍ、深さ１７００ｍｍの穴を掘削し、穴の底部に厚さ１００ｍｍの生コンクリートを流し込み固化させた。次いで穴の中に、前記内径５００ｍｍの直管１１を上端面１２が下端面１３より２５０ｍｍ高くなるよう傾斜させて設置した。
次いで、生コンクリートを、地表から６５０ｍｍまで、気泡が入らないように流し込み、固化させた後、穴の残部を土で埋め戻して実施例１の地中熱交換器１０を製造した。
【００４２】
（実施例２）
内径２９０ｍｍ、長さ１１ｍの鋼管の両端に上端面１２及び下端面１３を取り付けて封鎖し、上端面１２の最上部及び下端面１３の最下部それぞれに、上部熱媒体出入口１４及び下部熱媒体出入口１５を突設した内径２９０ｍｍの直管１１を製造した。
次いで、地面に幅１１００ｍｍ、長さ１２ｍ、深さ１７００ｍｍの穴を掘削し、穴の底に厚さ１００ｍｍの生コンクリートを流し込み固化させた。次いで穴の中に前記内径２９０ｍｍの直管１１を、上端面１２が下端面１３より２５０ｍｍ高くなるように傾斜させて設置した。
次いで、生コンクリートを、地表から６７０ｍｍまで、気泡が入らないように注意して流し込み、固化させた後、残りの穴を土で埋め戻して実施例２の地中熱交換器１０を製造した。
【００４３】
（実施例３）
内径２００ｍｍ、長さ１１ｍの鋼管の両端に上端面１２及び下端面１３を取り付けて封鎖し、上端面１２の最上部及び下端面１３の最下部それぞれに、上部熱媒体入出口１４及び下部熱媒体出入口１５を突設した内径２００ｍｍの直管１１を製造した。
次いで、地面に、幅１０００ｍｍ、長さ１２ｍ、深さ１７００ｍｍの穴を掘削し、穴の底に厚さ１００ｍｍの生コンクリートを流し込み固化させた。穴の中に前記内径２００ｍｍの直管１１を上端面１２が下端面１３より２５０ｍｍ高くなるように傾斜させて設置した。
次いで、生コンクリートを、地表から６８０ｍｍまで、気泡が入らないように注意して流し込み、固化させた後、残りの穴を土で埋め戻して実施例３の地中熱交換器１０を製造した。
【００４４】
（比較例１）
内径６８ｍｍ、長さ１１ｍの鋼管の両端に上端面１２及び下端面１３を取り付けて封鎖し、上端面１２の最上部及び下端面１３の最下部それぞれに、上部熱媒体出入口１４及び下部熱媒体出入口１５を突設して内径６８ｍｍの直管１１を製造した。
次いで、地面に、幅９００ｍｍ、長さ１２ｍ、深さ１７００ｍｍの穴を掘削し、穴の底に厚さ１００ｍｍの生コンクリートを流し込み固化させた。穴の中にて前記内径６４ｍｍの直管１１を上端面１２が下端面１３より２５０ｍｍ高くなるように傾斜させて設置した。
次いで、生コンクリートを、地表から１．２ｍまで、気泡が入らないように注意して流し込み、固化させた後、残りの穴を土で埋め戻して比較例２の地中熱交換器１０を製造した。
【００４５】
（比較例２）
比較例１と同様に、但し内径３４ｍｍ、長さ１１ｍの鋼管を用いて比較例３の地中熱交換器１０を製造した。
（比較例３）
地面に、幅４．０ｍ、長さ１１ｍ深さ１．７ｍの穴を掘削し、底に厚さ１００ｍｍの生コンクリートを流し込み固化させた。その上に、長さ３０ｍ、内径３４ｍｍ、管壁の厚さ１ｍｍの鋼管を「己」字型に４か所で折り曲げ、管同士の間隔及び管と穴の土壁との間隔が各々１．０ｍとなるように設置し、両端に熱媒体出入口を取り付け、その上から生コンクリートとを地表から１．２ｍまで、気泡が入らないように注意して流し込み、固化させた後、残りの穴を土で埋め戻して比較例１例１の地中熱交換器を製造した。
【００４６】
［試験例］
（試験方法）
図６に示す太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置を用いて、但し、２次熱交換器３０として水槽を用い、作用機５０としては３ＫＷ電熱ヒーターを用いて、送液手段４０で毎分３０Ｌの水を送液して図３に示すような熱媒体の冷却試験を行い、上部熱媒体出入口１４及び下部熱媒体出入口１５を通過する循環水温度を測定した。
【００４７】
（試験例１）管径に関して
実施例１〜３及び比較例１、２の地中熱交換器を用いて、２次熱交換器３０の冷却試験を行い、上部熱媒体出入口１４及び下部熱媒体出入口１５を通過する循環水温度を測定した。表１に出口と入り口の平均値を示し、図７にそのグラフを示す。
【表１】
2018091559.tif 000003
【００４８】
図７に示すように、実施例１の内径５００ｍｍの地中熱交換器を用いる地中熱交換装置及び実施例２の内径２９０ｍｍの地中熱交換器を用いる地中熱交換装置は、非常に大きな熱交換量を示し、１２時間後における平均循環水温は、実施例１が６．８℃であり、実施例１は１２．２℃であり、共に充分な冷却力を示した。
実施例３は、１２時間後における平均循環水温３９．３℃であったが、本試験例の３ＫＷ電熱ヒーターより小さな負荷には使用可能であると判断した。
内径６８ｍｍの地中熱交換器を用いる比較例１及び内径３４ｍｍの地中熱交換器を用いる地中熱交換器を用いる比較例２は、熱交換量が不足した。
【００４９】
（試験例２）内径５００ｍｍの太管横置傾斜式対流型地中熱交換器（実施例１）と従来の内径３４ｍｍの細管式水平型地中熱交換器（比較例３）との比較
図６に示す太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置を用いて、実施例１の内径５００ｍｍで長さが１１ｍの地中熱交換器を用いる地中熱交換装置と、比較例３の内径３４ｍｍで長さが３０ｍ従来技術の細管水平式地中熱交換装置と、を比較した。
実施例１及び比較例３の熱媒体入口温度及び出口温度の実測値、及びそれ等の上昇温度を表２に示し、そのグラフを図８に示す。
【表２】
2018091559.tif 000004
【００５０】
表２及び図８に示すように、実施例１の内径５００ｍｍの地中熱交換器は、従来技術の細管水平式地中熱交換器よりはるかに優れた熱交換能力を示した。しかし、比較例３の従来技術の細管水平式地中熱交換器は、３ＫＷ電熱ヒーターに対して冷却能力が不十分であった。
【００５１】
（試験例３）
図９は内径５００ｍｍで長さが１１ｍの太管横置傾斜式対流型地中熱交換器と、比較例２の内径３４ｍｍで長さが１１ｍ従来技術の細管水平式地中熱交換装置と、の熱媒体入口温度及び出口温度との平均値を比較したグラフである。
図９に示すように、起動後８時間の時点を基に計算すると、実施例１の温度上昇値は５．６０℃であり、比較例１の温度上昇値８０．６８℃であり、実施例１と比較例１の地中熱交換器の管長は同一であるから、実施例１の単位管長当たりの伝熱量は、比較例１の伝熱量の、１４．４倍となる。単純化した比例計算を行えば、実施例１の長さが１１ｍの地中熱交換器は、１５８．４メ−トルの長さを有する内径３４ｍｍの地中熱交換器に相当することになる。
本発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器を用いれば、狭い土地にも水平型地中熱交換装置の設置が可能になる。
【００５２】
以上、本発明に関する好ましい実施形態を説明したが、本発明は前記実施形態に限定されず、本発明の属する技術範囲を逸脱しない範囲での全ての変更が含まれる。
【符号の説明】
【００５３】
１      太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置
１０      太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置
１１      直管
１２      上端面
１３      下端面
１４      上部熱媒体出入口
１５      上部熱媒体出入口
１６      コンクリート層又はモルタル層
１７      管壁
１８      土壌
２０      熱媒体
２１      下降流
２２      下部層流
２３      反転上昇流
２４      上部層流ｃｃｃｃ
２５      上昇流
２６      反転下降流
３０      ２次熱交換器
３１、３２      ２次熱交換器出入口
３３      送液管
４０      送液手段
５０      作用機
【図１】
2018091559.tif 000005
【図２】
2018091559.tif 000006
【図３】
2018091559.tif 000007
【図４】
2018091559.tif 000008
【図５】
2018091559.tif 000009
【図６】
2018091559.tif 000010
【図７】
2018091559.tif 000011
【図８】
2018091559.tif 000012
【図９】
2018091559.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成29年3月8日(2017.3.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
傾斜され、横置されて地中に埋設された金属製の直管であって、
前記直管は、
両端が長軸と交差する２個の端面で封鎖され、
高い方の端面に設けられた上端面の上部と、低い方の端面に設けられた下端面の下部と、のそれぞれに上部熱媒体出入口及び下部熱媒体出入口が設けられ、
前記直管内部の断面積が直径２９ｃｍの円の面積以上であり、
上端面と下端面との間隔と、前記直管内部の断面積と同一の面積を有する円の直径と、の比が３：１乃至１００：１の範囲であり、
前記上端面と下端面との間隔と、前記上端面と下端面との高低差と、の比が３：１乃至１００：１の範囲であり、
前記直管の周囲にコンクリ−ト層又はモルタル層が設けられたことを特徴とする太管横置傾斜式対流型地中熱交換器。
【請求項２】
前記コンクリート層又はモルタル層は、厚さが１００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器。
【請求項３】
前記直管は、地表から直管の最下部までの距離が１乃至１０ｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器。
【請求項４】
穴を掘削する工程と、
請求項１乃至３の何れか１項に記載の直管を前記穴の底部に設置する工程と、
前記穴を所定の深さまでコンクリート又はモルタルで埋め戻してコンクリート層又はモルタル層を設ける工程と、
穴を土で埋め戻す工程と、
を有することを特徴とする太管横置傾斜式対流型地中熱交換器の設置方法。
【請求項５】
請求項１乃至３の何れか１項に記載の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器の１以上と、
熱媒体及び該熱媒体を循環させる送液手段と、
前記地中熱交換器と連通され、前記熱媒体が循環されて熱エネルギーを吸収又は／及び排出して利用する２次側熱交換器と、
を備えることを特徴とする太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置。
【請求項６】
前記送液手段は、前記熱媒体を前記地中熱交換器の上部熱媒体出入口から下部熱媒体出入口方向への送液と、下部熱媒体出入口から上部熱媒体出入口方向への送液と、が切換可能であることを特徴とする請求項５に記載の太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１０
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１０】
本発明はかかる課題を解決するためになされたものであって、本発明の太管横置傾斜式対流型地中熱交換器は、傾斜され、横置されて地中に埋設された金属製の直管であって、該直管は、両端が長軸と交差する２個の端面で封鎖され、高い方の端面に設けられた上端面の上部と、低い方の端面に設けられた下端面の下部と、のそれぞれに上部熱媒体出入口及び下部熱媒体出入口が設けられ、直管内部の断面積が直径２９ｃｍの円の面積以上であり、上端面と下端面との間隔と、直管内部の断面積と同一の面積を有する円の直径と、の比が３：１乃至１００：１の範囲であり、上端面と下端面との間隔と、上端面と下端面との高低差と、の比が３：１乃至１００：１の範囲であり、直管の周囲にコンクリ−ト層又はモルタル層が設けられたことを特徴とする。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１３】
本発明に係る太管横置傾斜式対流型地中熱交換器の設置方法は、穴を掘削する工程と、請求項１乃至３の何れか１項に記載の直管を穴の底部に設置する工程と、穴を所定の深さまでコンクリート又はモルタルで埋め戻してコンクリート層又はモルタル層を設ける工程と、穴を土で埋め戻す工程と、を有することを特徴とする。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５３】
１      太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置
１０      太管横置傾斜式対流型地中熱交換装置
１１      直管
１２      上端面
１３      下端面
１４      上部熱媒体出入口
１５      上部熱媒体出入口
１６      コンクリート層又はモルタル層
１７      管壁
１８      土壌
２０      熱媒体
２１      下降流
２２      下部層流
２３      反転上昇流
２４      上部層流
２５      上昇流
２６      反転下降流
３０      ２次熱交換器
３１、３２      ２次熱交換器出入口
３３      送液管
４０      送液手段
５０      作用機