(57)【要約】【解決手段】本発明は、地下構造及び水中構造に使用され、環境から熱を回収するための装置に関している。このような装置では、互いに固定され得る矢板壁要素(4) から形成され、地盤に固定された矢板壁(2) に、矢板壁要素(4) は、ヒートパイプ(8) として設計された少なくとも１つの閉じた中空空間(6) を有している。ヒートパイプ(8) は、矢板壁要素(4) を介して水又は土から取り出された熱エネルギーを、ヒートパイプ(8) の一端部(14)で熱交換器(12)を介してヒートポンプ(16)に移す。
2013524142.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
土木工学及び水力工学で使用され、環境から熱を回収するための装置において、
互いに固定され得る矢板壁要素(4) から形成され、地盤に固定された矢板壁(2) に、前記矢板壁要素(4) は、ヒートパイプ(8) として設計された少なくとも１つの閉じた中空空間(6) を備えており、
前記ヒートパイプ(8) は、前記矢板壁要素(4) によって水又は土から取り出された熱エネルギーを、前記ヒートパイプ(8) の一端部(14)で熱交換器(12)を介してヒートポンプ(16)に移すことを特徴とする装置。
【請求項２】
少なくとも１つの垂直方向に延びるヒートパイプ(8) は、二重壁の矢板壁要素(4) に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の装置。
【請求項３】
少なくとも１つの垂直方向に延びる中空空間(6) は、前記矢板壁要素(4) に固定されその両端部で閉じたパイプの外形によって形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の装置。
【請求項４】
少なくとも１つのヒートパイプ(8) は、摂氏−10°乃至摂氏＋40°の温度域に適した熱移送媒体を有していることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の装置。
【請求項５】
少なくとも１つのヒートパイプ(8) はCO2 ヒートパイプであることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の装置。
【請求項６】
前記矢板壁要素(4) は、長手方向に互いに平行に延びて、互いに対して角度を成している壁部(22,24,26)の外形を有しており、
前記ヒートパイプ(8) を形成すべく、その両端部で閉じた前記中空空間(6) は、その長手方向に前記壁部と平行に延びる壁要素(28,30,32)によって形成されており、
該壁要素は、少なくとも２つの壁部(22,24,26)をつなげていることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記ヒートパイプ(8) は、水(10)中に設けられた前記矢板壁(2) の一部分であって、水(10)から保護された側に配置されていることを特徴とする請求項１乃至６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
土木工学及び水力工学で使用され、環境から熱を回収するための方法において、
互いに対する固定に適した複数の矢板壁要素(4) を備えており、少なくとも１つのヒートパイプ(8) が形成されているか、又は熱を伝導するように固定されている矢板壁(2) を土(1) に打ち込み、
前記矢板壁要素(4) を介して水(10)又は土(1) から前記ヒートパイプ(8) によって抽出された熱エネルギーを、前記ヒートパイプ(8) の一端部(14)で熱交換器(12)を介してヒートポンプ(16)に移すことを特徴とする方法。
【請求項９】
垂直方向に延びる中空空間(6) が、前記ヒートパイプ(8) を収容するか又は形成する前記矢板壁要素(4) により形成されていることを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
CO2 ヒートパイプを前記ヒートパイプ(8) として使用することを特徴とする請求項８又は９に記載の方法。
【請求項１１】
互いに対する固定に適した複数の矢板壁要素(4) を備えた矢板壁(2) の前記矢板壁要素(4) の使用法であって、少なくとも１つのヒートパイプ(8) を収容して、前記矢板壁要素(4) の全表面に亘って水(10)又は土(11)から熱を回収すべく土木工学及び水力工学で使用されるための前記使用法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１のプリアンブル部分に定義されているような環境から熱を回収するための装置と、請求項８に定義されているような方法とに関する。
【背景技術】
【０００２】
水力工学及び土木工学における矢板壁の使用が知られている。矢板壁は、掘削部分又は隆起部分を保護する機能を有しており、水又は汚染された地盤に対して密閉し得るような密閉機能を同時に有してもよい。水力工学では、矢板壁は、例えば岸壁として、水路のための埠頭構造として、及び堤防保護に使用されてもよい。
【０００３】
矢板壁は、振動を受けて地盤に打ち込まれるか、又は地盤に圧入される個々の矢板壁要素から構成されている。ほとんどの場合、矢板壁要素は鋼から形成されている。矢板壁を構成する個々の矢板壁要素は、協働する固定具によって互いに連結されており、そのため、連続した矢板壁が形成され得る。打ち込みの際に、各矢板壁要素は、最後に打ち込まれた矢板壁要素の固定具によって横方向に導かれており、圧入により水を通さないように固定具と連結されている。様々な製造方法によって形成された様々な矢板壁要素が存在する。長さが例えば約６ｍ乃至30ｍの一般的な矢板壁要素が使用可能である。
【０００４】
矢板壁は更に、水力工学において、岸壁、水門壁、運河、防波堤又は港湾の流域のための永久的な構造要素としても、洪水防御のためにも使用される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第2819737 号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
異なる外形の矢板壁要素から形成された矢板壁が、独国特許出願公開第2819737 号明細書から公知である。
【０００７】
矢板壁は低価格で製造され設置されることができ、更に保守不要であり耐久性を有するので、矢板壁の使用が好まれている。
【０００８】
環境に存在するエネルギーをヒートポンプを用いて集め、加熱のため、又は熱湯を準備するための熱として前記エネルギーを利用することが更に知られている。
【０００９】
更に加熱管が、物質からの蒸発熱を使用して高い熱流密度を可能にする熱交換器として知られている。熱交換管が、例えば熱移送媒体（作動流体）を移動させるために循環ポンプのようないかなる追加の補助エネルギーも必要とせず、そのため、保守努力及び運用コストが最小限度に抑えられる。
【００１０】
熱交換管は、ヒートパイプ又は二相熱サイフォンとして知られている。
【００１１】
一般に、ヒートパイプは、密閉された中空空間をほとんどの場合管の形状で有している。中空空間は熱移送媒体で充填されており、熱移送媒体の小部分が液体状態で中空空間を充填しており、熱移送媒体の大部分が気体状態で中空空間を充填している。
【００１２】
ヒートパイプの適用範囲は、使用される作動流体の融解温度と臨界点の温度との間に制限される。好ましい熱移送媒体は、摂氏−10°乃至摂氏＋40°の温度域で使用されるべきである。
【００１３】
本発明は、環境から再生熱を回収するための装置及び方法であって、いずれにしても必要な構造要素を使用して環境からの効率的なエネルギー回収を達成することが可能な前記装置及び方法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】
【００１４】
該目的は、請求項１、請求項８及び請求項11の特徴を用いて達成される。
【００１５】
本発明は有利には、例えば、川、湖又は海のような水域中で又は該水域のすぐ近くで使用され得る、ヒートパイプが一体化された矢板壁によって、環境から再生熱エネルギーを回収するための装置及び方法を提供する。ヒートパイプの温かい方の端部に配置された熱交換器が、水又は土から取り出された熱エネルギーを熱交換器を介してヒートポンプに運ぶことを可能にする。
【００１６】
いずれにしても必要な構造要素が、該構造要素の大きな接触面に亘って環境から熱を取り出すために使用され得る点が、このような熱回収設備の本質的な利点である。矢板壁の強度がヒートパイプの一体化によって更に増すので、例えば水質汚染を防止するための堤防、地盤及び構造の機械的な安定化が、完全に確保されるだけでなく、より厳しい設計要件を満たすことにもなる。
【００１７】
水から熱を回収することによって、水域の温度を下げることが可能になり、それによって、例えば廃水の導入による温度増加が補償され得る。
【００１８】
更に、洪水防御設備を用いて、構造要素がエネルギーの回収を可能にするという更なる利点が達成され得る。
【００１９】
好ましい実施形態では、矢板壁要素は二重壁であり、ヒートパイプが二重壁の矢板壁要素に形成された中空空間に一体化されている。
【００２０】
ヒートパイプは更に、矢板壁に固定されるか又は溶接される、断面が環状又は矩形状のパイプによって形成されてもよい。
【００２１】
ヒートパイプはCO2 ヒートパイプであることが好ましい。ヒートパイプは、優れた熱移送能力を有している。CO2 は、生物学的な安全性に最適な熱移送媒体（作動流体）である。
【００２２】
２つの熱力学的過程、つまり蒸発過程及び凝結過程が循環ポンプ及びいかなる補助エネルギーもなしで閉鎖系に生じ得るように、これらのヒートパイプは熱力学的に設計されている。ヒートパイプは、単に凝縮器として機能し、このために設計され最適化されている。ヒートパイプが、予め形作られた部品として矢板壁に連結されているか又は固定されている場合、ヒートパイプ自体は、矢板壁の機械的安定性の向上に寄与しない。
【００２３】
ヒートパイプは、水中に設けられた矢板壁の一部分に配置されているが、水から保護された側に配置されていることが好ましい。従って、ヒートパイプが保護された構成が、矢板壁要素を介した熱交換器への熱の移送を可能にしながら達成され得る。
【００２４】
矢板壁の３分の２が土の中にあり、矢板壁の３分の１が水中にあることが好ましい。
【００２５】
それにもかかわらず、矢板壁が水又は土に接しているか否かに関係なく、矢板壁の表面全体が熱回収に利用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】水力工学の分野で使用される矢板壁を示す図である。
【図２】ヒートパイプが一体化されている矢板壁の外形を示す断面図である。
【図３】ヒートパイプが一体化されている矢板壁の外形を示す断面図である。
【図４】ヒートパイプが一体化されている矢板壁の外形を示す断面図である。
【図５】ヒートパイプが一体化されている矢板壁の外形を示す断面図である。
【図６】ヒートパイプが一体化されている矢板壁の外形を示す断面図である。
【図７】ヒートパイプが一体化されている矢板壁の外形を示す断面図である。
【図８】ヒートパイプが一体化されている矢板壁の外形を示す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
本発明の実施形態を、図面を参照して以下に詳細に説明する。
【００２８】
ヒートポンプの技術の高効率を利用しながら、水のような危険な媒体を使用せずに水域10に蓄えられた熱を利用するために、矢板壁2 に一体化されたヒートパイプ8 が、開けた水域10の表面の近くに及び／又は水が循環する領域下の前記表面の近くに配置されている。
【００２９】
技術的に等価な熱移送媒体で充填されたCO2 ヒートパイプ又はヒートパイプ8 として、矢板壁2 に一体化され、開けた水域10及び水域10の沿岸帯に設置された新たなタイプのヒートパイプ8 により、労力を削減し、技術的に簡単な方法且つ低コストで、ヒートパイプ8 が一体化された矢板壁2 を例えば川又は海に設置することが可能になる。
【００３０】
一体化されたヒートパイプ8 は、所定の熱回収能力及び静的な要件に応じて設計され製造された圧力抵抗性の金属構造によって形成されている。この状況では、互いに連結され得る複数の様々な構成が可能である。従って、長期間作動しても問題なく且つ環境を損なうことなく作動する排出ゼロの経済的且つ技術的に効率的な設備を構築することが可能である。
【００３１】
矢板壁2 のための矢板壁要素4 が、例えばペイナー（Peiner）の鋼矢板壁として知られている（ドルトムンド市（Dortmund）に所在するエイチエスピー  ヘッシュ  スパンワンド  アンド  プロファイル  ゲーエムベーハー（HSP Hoesch Spundwand und Profil GmbH）の製品一覧パンフレット「ヘッシュの杭鋼板」（Hoesch Stahlspundwande），1/03、及び「ペイナーの杭鋼板」（Peiner Stahlspundwande），3/02参照）。これらの会社パンフレットは、具体化に応じて、水を通さないように固定可能な部品として巻いた矢板壁要素4 を提示しており、矢板壁要素4 は、矢板壁の固定具42によって互いに連結され得る。
【００３２】
これらの矢板壁要素4 は特に、隆起部分を支えて、掘削部分、堤防、ダム及び港湾構造物を保護すべく機能する。矢板壁要素4 は、矢板壁要素4 の延長部分に垂直な方向の矢板壁2 の対応する曲げ応力をもたらす大きな水平方向の力を吸収することができる必要がある。一般的に寸法決定の際の決定的な要因は、土及び／又は水からの側圧によって加えられ、断面係数に応じて矢板壁要素4 により吸収され得る曲げ応力である。個々の矢板壁要素4 から形成され閉じた矢板壁2 が高い断面係数を有して構築され得るように、又は、矢板壁要素4 が、矢板壁2 を構成すべく様々な矢板壁要素4 と共に使用され得るように、吸収すべき負荷に応じて、これらの矢板壁要素4 は、連結するための固定具42により同様の矢板壁要素4 と連結され得る。様々な矢板壁要素4 として、例えばＵ字状の要素又はＺ字状の要素が、連結するための固定具42を用いて列を成して配置され得る。
【００３３】
矢板壁要素4 の必要な断面係数に応じて、矢板壁要素4 は基本的に、様々な構造的な高さ及び様々な肉厚を有して提供される。
【００３４】
先行技術には、経済的に実施し得ない外形を選択せずに、又は、（基本的に構造的な高さ及び肉厚に関して）適切に修正された形状を有する完全に新しい外形を選ぶ必要なしに、矢板壁要素4 の形態の標準的な外形の断面係数を増大させる様々な可能性が存在する。これらの可能性の問題点を解決するために、標準規格の矢板壁要素4 の形状を維持しながら、要件に応じた断面係数の最適化が試みられている。
【００３５】
実際に長い間知られており証明されている１つの可能性が、矢板壁要素4 のフランジの外側の内の一方又は両方に鋼のラメラを溶接することである（製品一覧パンフレット「ペイナーの杭鋼板」（Peiner Stahlspundwande），3/02からの抜粋参照）。このようなラメラは、生じている最も高い曲げモーメントの領域に配置されていることが好ましい。ラメラ上の溶接は面倒であり、生じている溶接張力のために必要な矢板壁要素4 の再成形作業により追加の費用を必要とする。
【００３６】
矢板壁要素4 は、ウェブ（web ）から離隔して矢板壁要素4 上に溶接された第２の中間の板／ラメラと共に使用され得る。そのため、既存の標準的な外形の大きさを一定に保ちながら、平均の断面係数が増大する。更に、このようにして形成された中空空間6 が、矢板壁2 に一体化されたヒートパイプ8 として使用され得る。
【００３７】
矢板壁2 に一体化されたこのようなヒートパイプ8 は、計画された構造物と該構造物の静的な要件とに基本的な変更を行う必要なしに、大きな矢板壁構造であっても新たな更なる使用を経済的に与え得る点で有利である。本明細書では、再生エネルギーを回収することが更に可能である。
【００３８】
矢板壁2 にヒートパイプ8 を一体化することによって、いずれにしても必要な固定構造が、熱回収に同時に使用され得る。
【００３９】
図１は、地盤、つまり土1 に固定された複数の連結された矢板壁要素4 から構成された矢板壁2 を示している。個々の矢板壁要素4 は固定具42によって互いに固定されており、水10に対して密閉している隙間のない矢板壁2 の形成に適している。
【００４０】
図１は、単なる略図である。一般的には、このような矢板壁2 の約2/3 が土1 の中にあり、矢板壁2 の約1/3 が水10中にある。
【００４１】
矢板壁要素4 は、矢板壁要素4 と熱伝導するように連結されたヒートパイプ8 を備えていることが好ましい。ヒートパイプ8 は、別個の要素として矢板壁要素4 に一体化されてもよく、又は、矢板壁要素4 の閉じた中空空間6 に形成されてもよい。
【００４２】
ヒートパイプ8 は、矢板壁要素4 を介して水10又は土1 から熱エネルギーを抽出し、好ましくは矢板壁要素4 の全表面に亘って水10又は土1 から熱エネルギーを抽出する。ヒートパイプ8 の温かい方の端部14で集められた熱エネルギーが、熱交換器12及び導管18を介してヒートポンプ16に移される。
【００４３】
図２及び３に示されているように、矢板壁要素4 は中空空間6 を形成すべく二重壁であってもよく、この場合、ヒートパイプ8 が中空空間6 に形成され、矢板壁要素4 がヒートパイプ8 の制限壁を形成している。空隙である中空空間6 は下端部及び上端部14で閉じており、そのため、ヒートパイプ8 が密閉された中空空間6 に含まれている。
【００４４】
図４は別の代替的な実施形態を示しており、この実施形態では、図４の左側の矢板壁要素4 が、基本的に図２及び３の矢板壁要素4 に相当し、中央の矢板壁要素4 は、矢板壁要素の外形を２箇所でつなげることにより形成された２つのヒートパイプ8 の一体化を示している。
【００４５】
図４の右側に、熱伝導性の連結要素34によって壁要素24と連結された従来のヒートパイプ8 が示されている。
【００４６】
ヒートパイプ8 内の熱移送媒体が、摂氏約−10°乃至摂氏＋40°の動作範囲に合わせて構成されており、好ましくはCO2 である。
【００４７】
図５は、好ましくは水から保護された矢板壁2 の側に配置されたヒートパイプ8 を示している。図５に示された実施形態は、補強材40を備えた箱型のパイル38を示しており、箱型のパイル38は、ヒートパイプ8 を夫々備えている矢板壁要素4 に関連付けられている。
【００４８】
例えば、水圧が高い場合、このような箱型のパイル38は矢板壁2 の支持体として機能する。
【００４９】
図６は、ヒートパイプ8 が別のタイプの矢板壁要素の外形の一側に配置されている実施形態を示している。
【００５０】
図７は、複数の箱型のパイル38で支持された二重の矢板壁2 を示している。この場合、ヒートパイプ8 は、水10から保護された矢板壁2 の側に配置されている。
【００５１】
図８は、箱型の矢板40の形態の複数の矢板壁要素4 によって形成された矢板壁2 を示しており、複数の矢板壁要素4 は、連結するための固定具42によって互いに連結されている。ここでは一例として、ヒートパイプ8 が、矢板壁要素4 の断面がＩ状である外形内の一側に配置されている。
【図１】
2013524142.tif 000003
【図２】
2013524142.tif 000004
【図３】
2013524142.tif 000005
【図４】
2013524142.tif 000006
【図５】
2013524142.tif 000007
【図６】
2013524142.tif 000008
【図７】
2013524142.tif 000009
【図８】
2013524142.tif 000010
【国際調査報告】
2013524142.tif 000011
2013524142.tif 000012
2013524142.tif 000013
2013524142.tif 000014