(57)【要約】【課題】地中に埋設された熱交換部の枝パイプを流れる空気流量のバラツキを減じる。【解決手段】地中に略水平に埋設された第１の主パイプ２ａ及び第２の主パイプ２ｂの間を、該主パイプと直交してのびる複数本の枝パイプ２ｃで連結した地中熱交換部２と、一端が前記第１の主パイプ２ａに連通しかつ他端が外気に連通する導入部３と、一端が前記第２の主パイプ２ｂに連通しかつ他端が建物内部に連通する供給部４とを含み、導入部３から導入された外気を地中熱交換部で熱交換し供給部４を介して建物内部に供給する地中熱利用の空調装置であって、第１の主パイプ２ａと第２の主パイプ２ｂとに逆向きの空気流を生成して熱交換を行うことを特徴とする。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に略水平に埋設された第１の主パイプ及び第２の主パイプの間を、該主パイプと直交してのびる複数本の枝パイプで連結した地中熱交換部と、
一端が前記主パイプに連通しかつ他端が外気に連通する導入部と、
一端が前記主パイプに連通しかつ他端が建物内部に連通する供給部とを含み、
前記導入部から導入された外気を前記地中熱交換部で熱交換し供給部を介して建物内部に供給する地中熱利用の空調装置であって、
第１の主パイプと第２の主パイプとに逆向きの空気流を生じさせて熱交換を行うことを特徴とする地中熱利用の空調装置。
【請求項２】
前記導入部の前記一端が、前記第１の主パイプの軸方向の一端側に連通するとともに、前記供給部の前記一端が、前記第２の主パイプの軸方向の前記一端側に連通する請求項１記載の地中熱利用の空調装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱利用の空調装置に関し、詳しくは地中に埋設された熱交換部の枝パイプを流れる空気流量のバラツキを減じ、熱交換性能の低下や枝パイプ内の結露等を効果的に防止しうる技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年の省エネルギー化の要請により、地中熱を利用した空調装置が種々提案されている（例えば下記特許文献１ないし３参照）。この種の代表的な空調装置としては、外気を、地中に埋設された熱交換用のパイプを経由させて建物内に供給するものが知られている（このような方式は、「クールチューブ方式」とも呼ばれる。）。
【０００３】
地表から２〜３ｍ程度の深さの地中温度は、季節を問わず約１５℃程度で安定している。従って、上記空調装置では、夏は高温の外気を熱交換用のパイプを通して冷却でき、逆に冬では、冷たい外気を上記パイプで暖めてそれぞれ建物の中に供給できる利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−３５４５６号公報
【特許文献２】特開２００７−３３３３６０号公報
【特許文献３】特開２００８−７６０１５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図９には、地中に埋設される熱交換部の概略平面図を示す。従来の熱交換部では、水平かつ互いに平行に配された一対の主パイプａ１、ａ２と、その間を連結する複数本の枝パイプｂとから構成されている。枝パイプｂの内径ｄ２は、例えば主パイプａ１及びａ２のそれとほぼ同一に形成されている。
【０００６】
しかしながら、発明者らの種々の実験の結果、従来の熱交換部の構造では、空気をＩＮからＯＵＴへ通過させるとき、各枝パイプｂを流れる空気流量のバラツキが大きく、ひいては熱交換性能が十分に発揮されていないことが判明した。このため、空気流量の少ない枝パイプｂには、内部に結露が生じやすく、また早期にカビが発生するという問題があり、熱交換された空気に異臭を生じさせるおそれもあった。
【０００７】
発明者らは、各枝パイプｂに流れる空気流量のバラツキを低減させるために種々の実験、解析を行った。その結果、一対の主パイプａ１、ａ２を流れる空気流の向きが枝パイプｂの空気の流れに影響を及ぼしているとの知見を得た。即ち、従来の空調装置の熱交換部では、一対の主パイプａ１、ａ２には、互いに同じ向き（方向ロ）で空気が流れるものであったが、意外にも、主パイプａ１、ａ２の空気流の向きを互いに逆向きにすると、各枝パイプｂに流れる空気流速のバラツキが大幅に改善され、かつ、平均速度も向上することが判明した。
【０００８】
以上のように、本発明は、熱交換部の各枝パイプを流れる空気流量のバラツキを減じ、熱交換性能の低下や枝パイプ内の結露等を効果的に防止しうる地中熱利用の空調装置を提供することを主たる目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明のうち請求項１記載の発明は、地中に略水平に埋設された第１の主パイプ及び第２の主パイプの間を、該主パイプと直交してのびる複数本の枝パイプで連結した地中熱交換部と、一端が前記主パイプに連通しかつ他端が外気に連通する導入部と、一端が前記主パイプに連通しかつ他端が建物内部に連通する供給部とを含み、前記導入部から導入された外気を前記地中熱交換部で熱交換し供給部を介して建物内部に供給する地中熱利用の空調装置であって、第１の主パイプと第２の主パイプとに逆向きの空気流を生じさせて熱交換を行うことを特徴とする。
【００１０】
また請求項２記載の発明は、前記導入部の前記一端が、前記第１の主パイプの軸方向の一端側に連通するとともに、前記供給部の前記一端が、前記第２の主パイプの軸方向の前記一端側に連通する請求項１記載の地中熱利用の空調装置である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の地中熱利用の空調装置は、第１の主パイプと第２の主パイプとに逆向きの空気流を生じさせて熱交換を行う。これにより、熱交換部の各枝パイプを流れる空気流量のバラツキが、従来に比して顕著に小さくなり、熱交換性能の低下や枝パイプ内の結露等の発生が効果的に防止される。
【００１２】
上述のような空気流は、導入部の一端を第１の主パイプの軸方向の一端側に連通させるとともに、供給部の前記一端も第２の主パイプの軸方向の前記一端側に連通させることにより容易に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施形態を示す家屋に用いられた空調装置の平面図である。
【図２】図１の断面図である。
【図３】本実施形態の熱交換部の平面図である。
【図４】本実施形態の主パイプと枝パイプとの接続部を示す断面図である。
【図５】他の実施形態の主パイプと枝パイプとの接続部を示す断面図である。
【図６】比較例の熱交換部の寸法を説明する平面図である。
【図７】実施例の熱交換部の寸法を説明する平面図である。
【図８】他の実施例の熱交換部の寸法を説明する平面図である。
【図９】従来の熱交換部の平面概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明の実施の一形態が図面に基づき説明される。
図１には、本発明の地中熱利用の空調装置が一戸建ての家屋Ｈの空調装置として用いられた平面図が示される。また、図２にはその断面図が示される。
【００１５】
本実施形態の空調装置１は、家屋Ｈに隣接して設けられており、本実施形態では庭Ｙの地中Ｇに埋設された地中熱交換部２と、外気を該地中熱交換部２に導入しうる導入部３と、前記地中熱交換部２で熱交換された外気を家屋Ｈに供給しうる供給部４とを含んで構成される。
【００１６】
前記地中熱交換部２は、地中Ｇに略水平かつ互いに平行に埋設された第１の主パイプ２ａ及び第２の主パイプ２ｂと、該第１、第２の主パイプ２ａ、２ａ間を主パイプと直交して連結する複数本の枝パイプ２ｃとを含み、平面視が略梯子状に構成されている。
【００１７】
前記主パイプ２ａ、２ｂ及び枝パイプ２ｃは、季節にかかわらずほぼ一定の温度となる地中（例えば地表から２〜３ｍ程度の深さの地中）Ｇに埋設されるのが良い。本実施形態では、主パイプ２ａ、２ｂ及び枝パイプ２ｃは、いずれも断面円形のパイプで構成される。これらの各パイプ２ａ、２ｂ及び２ｃは、種々の材料で構成することができ、成形性、耐久性、防錆性及び熱伝導性に鑑みれば、非金属材料、とりわけ硬質塩化ビニル樹脂等の樹脂材料で形成されるのが望ましい。
【００１８】
本実施形態において、第１の主パイプ２ａ及び第２の主パイプ２ｂは、略水平にかつ同深さで互いに平行に埋設されている。「略水平」であるから、主パイプ２ａは、厳密に水平に埋設されている必要はない。本実施形態では、各主パイプ２ａ、２ｂの内面に生じた結露水などが、各主パイプ２ａ、２ｂの端部に設けたドレイン部６に集められるように、主パイプ２ａ、２ｂには、３〜１０度程度の勾配が設けられる。また、ドレイン部６には、図示しないポンプ等が地表側より挿入され、適宜結露水が外部に吸い上げられる。
【００１９】
図３には、地中熱交換部２の拡大平面図が示され、図４には、図３のＸ部の拡大断面図が示される。本実施形態の各主パイプ２ａ、２ｂは、パイプ状をなす第１部分２０と、この第１部分２０に接続されて軸方向にのびるとともに途中に該軸方向と直角にのび前記枝パイプ２ｃが接続される分岐部５を有する第２部分２２とが軸方向に交互に接続されて構成される。このような主パイプ２ａ、２ｂは、第１部分２０の軸方向の長さを変えることにより、主パイプ２ａと枝パイプ２ｃとの接続位置を自在に設定できる。従って、地中熱交換部２の汎用性を高め、製造コストを低く抑えるのに役立つ。
【００２０】
前記第１部分２０は、例えば実質的に一定の内径ｄ１でのびる単純なパイプ状で構成されている。
【００２１】
また、図４に示されるように、前記第２部分２２は、第１部分２０の内径ｄ１と等しい内径で軸方向にのびるとともに、その両端には前記第１部分２０を密に挿入可能な拡径部９が形成されている。これにより、主パイプ２ａ、２ｂは、それぞれ実質的に前記内径ｄ１で連続してのびる。
【００２２】
また、第２部分２２は、例えば、その軸方向の長さの略中間部に、前記分岐部５が突設される。分岐部５は、接続される枝パイプ２ｃと実質的に等しい内径ｄ２を有するとともに、分岐部５の先端部には、枝パイプ２ｃを挿入可能な拡径部１０が設けられている。これにより、前記内径ｄ２は、枝パイプ２ｃ及び分岐部５で連続する。また、分岐部５は、主パイプ２ａとの接続部から徐々に内径が変化するものではなく、本実施形態では、急激な断面積の減少を伴って分岐している。
【００２３】
前記枝パイプ２ｃの内径ｄ２と主パイプ２ａ、２ｂの各内径ｄ１との比（ｄ２／ｄ１）は、例えば０．１５〜０．４５、より好ましくは０．２０〜０．４０の範囲に設定されるのが好ましい。このように、枝パイプ２ｃの内径ｄ２を、各主パイプ２ａ、２ｂの内径ｄ１に比して著しく小さく絞り込んだときには、地中熱交換部２の各枝パイプ２ｂを流れる空気流量のバラツキが低減され、ひいては外気は効率良く各枝パイプ２ｂで熱交換を行わせることができる。なお、前記各主パイプ２ａ、２ｂの内径ｄ１は、例えば１００〜３００mm程度、より好ましくは１００〜１５０mm程度に設定されるのが望ましい。
【００２４】
図４の実施形態において、第２部分２２の分岐部５は、主パイプ２ａに対して直角かつ真っ直ぐに接続されている。しかしながら、図５に示されるように、分岐部５は、主パイプ２ａに円弧部１１を介して接続させることもできる。この円弧部１１は、例えば空気の主要な流れがＮで示されるとき、その空気の分岐時の抵抗を小さくする向きに湾曲することは言うまでもない。
【００２５】
各枝パイプ２ｃは、第１の主パイプ２ａと、第２の主パイプ２ｂとの間を前記分岐部５を介して接続しており、本実施形態では互いに一定の配設ピッチＰ（図３に示す）で設けられている。なお、本実施形態において、各枝パイプ２ｃと、主パイプ２ａ、２ｂとは、互いの中心線の高さを揃えて連結されている。なお、前記枝パイプ２ｃの配設ピッチＰは、好ましくは２００〜９００mmの範囲で設定されるのが枝パイプ２ｃの流速を均一化する上で好ましい。
【００２６】
このように、熱交換部２は、第１の主パイプ２ａと第２の主パイプ２ｂと枝パイプ２ｃとの間で空気の行き来が可能に構成される。なお、各主パイプ２ａ、２ｂの両端には、それぞれエンドキャップＣが装着されて閉塞されている。
【００２７】
前記導入部３は、図２、図３に示されるように、上下にのびるパイプ状をなすとともに、その下方の一端３ａが地中Ｇに埋設される。そして、該一端３ａは、前記第１の主パイプ２ａの一端Ａ側に接続されかつ連通する。また、この接続位置は、最も一端Ａ側に配された枝パイプ２ｃよりも前記一端Ａ側（図３において左側）にそれた位置とする。
【００２８】
また、導入部３の上側の他端３ｂは、地上に露出するとともに、約１８０度湾曲して下向きで開口している。このような下向きの開口は、雨水等の進入を防止できる。また、この他端３ｂの開口には、フィルターｆ等を配し、該導入部３内への虫や異物の侵入を防ぐことが望ましい。
【００２９】
前記供給部４は、パイプ状をなすとともに、その下方の一端４ａも地中Ｇに埋設されて前記第２の主パイプ２ｂの一端Ａ側に接続されかつ連通する。この接続位置も、最も一端Ａ側に配された枝パイプ２ｃよりも前記一端Ａ側（図３において左側、即ち、導入部３の接続部側）にそれた位置にある。
【００３０】
また、本実施形態の供給部４は、地中Ｇをのびるとともに、その上側の他端４ｂは家屋Ｈの床下空間８で開口させている。そして、床下空間８には、例えば供給部４の他端４ｂから空気を強制的に吸い上げる吸気用ファン７が接続される。なお、本実施形態において、家屋Ｈの床下空間８は、基礎によって囲まれかつ外気とは断熱された空間であり、この床下空間の空気は、床部に設けた開口Ｏ１又はＯ２から居室内部へと供給され、矢印にて空気の流れの一例を示すように、家屋内の空気流路を通って各部へと供給される。
【００３１】
以上のように構成された空調装置１は、吸気用ファン７を駆動することにより、外気が、導入部３を経由して第１の主パイプ２ａの一端Ａ側から導入される。第１の主パイプ２ａに導入された外気は、図３に示されるように、他端Ｂ側に矢印イの方向に流れつつ各枝パイプ２ｃへと分岐する。また、各枝パイプ２ｃを通った空気は、第２の主パイプ２ｂを他端Ｂ側から一端Ａ側へ矢印ロの向きに流れる。つまり、導入された外気は、第１の主パイプ２ａと第２の主パイプ２ｂとに逆向きの空気流を生じさせて熱交換し、供給部３から家屋Ｈの床下空間へと供給される。
【００３２】
このように、互いに平行に配された第１の主パイプ２ａと第２の主パイプ２ｂとに逆向きの空気流を生じさせて熱交換を行うことにより、地中熱交換部２の各枝パイプ２ｃを流れる空気流量のバラツキが低減され、ひいては効率良く各枝パイプ２ｃで熱交換が行われることを本発明者らは種々の実験の結果から確かめている。また、各枝パイプ２ｃには、満遍なく空気が安定的に流れるため、各枝パイプ２ｃの内表面への結露の発生を抑制でき、ひいてはカビや異臭の発生を効果的に抑制しうる。
【実施例】
【００３３】
上述のような本発明の効果を明らかにするために、本発明者らが行った実施例について以下説明する。図６〜図８には、本実験に用いた熱交換部の平面視のレイアウトを示す。
【００３４】
図６には、比較例として、第１の主パイプ２ａの他端Ｂ側の端部（ＩＮ）から空気を吸い込むとともに、第２の主パイプ２ｂの一端Ａ側の端部（ＯＵＴ）から空気を排出させた。つまり、図６の比較例では、第１の主パイプ２ａと第２の主パイプ２ｂとに流れる空気の向きを同一方向（方向ロ）とした。また、枝パイプの本数は４とした。
【００３５】
図７には、実施例１として、第１の主パイプ２ａの一端Ａ側から空気を吸い込むとともに、第２の主パイプ２ｂの一端Ａ側から空気を排出させている。つまり、第１の主パイプ２ａと第２の主パイプ２ｂとに流れる空気の向きを互いに逆向き（方向イ及び方向ロ）とした態様である。
【００３６】
図８には、実施例２として、第１、第２の主パイプ２ａ、２ｂの第２部分２２に、円弧部１１を有するものを採用している。この円弧部１１は、空気の流れに沿った向きに湾曲させており、該円弧部１１の曲率半径ｒは約８５mmとした。また、空気の流れは、図７の態様と同じである。
【００３７】
また、空気は、送風ファン（図示省略）で前記端部（ＯＵＴ）側から強制的に排気し、給気側の端部（ＩＮ）の風量が５０m3／ｈとなるように調整を行った。そして、そのときのファン電圧（ファン回転数の関数である）及び各枝パイプ２ｃ（図において右から順次枝パイプ１ないし４とする）に流れる風速（風量に比例）がそれぞれ測定された。
【００３８】
なお、圧損が大きすぎて前記風量が得られない場合については、ファンへの負荷が大きく省エネには不向きとなるので実験を中止した。また、各パイプ２ａ、２ｂ及び２ｃは、いずれも硬質塩化ビニル樹脂からなる。共通寸法は次の通りである。
【００３９】
第１、第２の主パイプの全長Ｌ１：３２００mm
第１、第２の主パイプの軸間距離Ｌ２：１２００mm
第１、第２の主パイプの他端から枝パイプまでの距離Ｌ３：１０５０mm
第１、第２の主パイプの一端から枝パイプまでの距離Ｌ４：１０５０mm
枝パイプの配設ピッチＰ：３００mm（一定）
テストの結果を表１に示す。
【００４０】
【表１】
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【００４１】
テストの結果、実施例は、比較例に比べて、各枝パイプの平均流速を増加させつつ風速のバラツキを顕著に小さくしていることが確認できた。特に、実施例では、枝パイプの平均風速が向上していることも確認できた。
【００４２】
なお、枝パイプ２ｃの内径や本数を変えてさらに他の実験を行ったが、いずれも本発明の効果が奏されることが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、各種の建物の空調装置、とりわけ戸建て住宅向けの小型の空調装置として好適に利用することができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  空調装置
２  地中熱交換部
２ａ  第１の主パイプ
２ｂ  第２の主パイプ
２ｃ  枝パイプ
３  導入部
４  供給部
５  分岐部
７  吸気ファン
８  床下空間
Ｇ  地中
【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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