(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に設けられた削孔に挿入された熱交換パイプの周囲に充填される伝熱充填材であって、所定の伝熱特性及び水による膨潤性を備えた主材に該主材よりも伝熱特性のよい粉体を添加して形成された水による膨潤性を有するペレットよりなる
ことを特徴とする伝熱充填材。
【請求項２】
前記主材は、ベントナイトからなることを特徴とする請求項１に記載の伝熱充填材。
【請求項３】
前記粉体は、鉄粉又は黒鉛粉からなることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の伝熱充填材。
【請求項４】
地中に設けられた削孔に挿入される熱交換パイプと、該熱交換パイプの周囲に充填される伝熱充填材とを備えた地中熱交換装置であって、
前記伝熱充填材は、所定の伝熱特性及び水による膨潤性を備えた主材に該主材よりも伝熱特性のよい粉体を添加して形成された水による膨潤性を有するペレットよりなる
ことを特徴とする地中熱交換装置。
【請求項５】
前記主材は、ベントナイトからなることを特徴とする請求項４に記載の地中熱交換装置。
【請求項６】
前記伝熱充填材の外周は、前記削孔の周壁を形成する地中土壌に接触していることを特徴とする請求項５に記載の地中熱交換装置。
【請求項７】
地中熱交換装置の施工方法であって、
地中に削孔を形成するステップと、
前記削孔内に熱交換パイプを設置するステップと、
前記削孔内に請求項１に記載の伝熱充填材を投入するステップと、
前記伝熱充填材に水を供給するステップと、を含む、
地中熱交換装置の施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、住宅用の地中熱利用システムにおける地中熱交換装置に関し、特に地盤から地中に向けて掘削される削孔を利用して、土壌との間で熱交換を行う地中熱交換装置及び、地中熱交換装置で用いられる伝熱充填材に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地中の温度は、一年間を通じて温度変化が少なく、外気温と比べて比較的安定している。特に、地盤面下の地中は、ある深さ以上であれば外気の影響を受けにくく恒温の地熱が得られるものであって、例えば日本の気候において、地中の温度は、夏季は外気温に対して低く、冬季は外気温に対して高い。そこで、地盤に杭状の地中熱交換装置を埋設し、該地中熱交換装置と地上の建物内等に設けられる空調機器との間で熱交換を行うことにより、地中の熱を当該空調機器の熱源として利用する地中熱利用システムが提案されている。この種のシステムとして、建物の基礎下に埋設された基礎杭の中空内部に、地上と地中との間で熱媒体を循環させる熱媒体伝熱管（熱交換パイプ）を配置すると共に、該熱媒体伝熱管の周囲を所定の伝熱特性を有する伝熱充填材により充填した構成が知られている。この伝熱充填材は、地中と熱媒体伝熱管との間での熱交換を促進させるものであって、その伝熱特性や熱容量の観点から水を採用する構成が知られている。
【０００３】
また、特許文献１には、伝熱特性がよい鉄粉等の伝熱材と硬化性材料たるグラウト材とを混合して伝熱充填材を形成し、グラウト材が硬化する前の流動状態の伝熱充填材を削孔内に流し込んだ後、グラウト材を硬化させる構成が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００２−５４８５０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、流動性のあるグラウト材と鉄粉とは比重が異なるため、鉄粉を混ぜた流動状態の伝熱充填材を削孔内に流し込むと、伝熱充填材内の鉄粉が削孔の底部に向けて重力落下する。これによって、削孔内の底部から上部に亘って、鉄粉を均等に分散させることが困難であった。この点について特許文献１には、鉄粉の調合等を調整することで鉄粉の落下を防止することについての開示があるが、かかる調合調整には、単に鉄粉の重量のみならず、鉄粉の形状、削孔の口径やグラウト材の粘性などを考慮した極めて高精度な調合が必要となり、施工が煩雑化するという問題がある。
【０００６】
そこで本発明は、このような問題を解決するためになされたものであり、複雑な調合調整を要することなく、伝熱充填材中の伝熱材を削孔内の所望の位置に設けることができる伝熱充填材及び地中熱交換装置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】
【０００７】
上記課題を解決すべく、本発明に係る伝熱充填材は、地中に設けられた削孔に挿入された熱交換パイプの周囲に充填される伝熱充填材であって、所定の伝熱特性及び水による膨潤性を備えた主材に該主材よりも伝熱特性のよい粉体を添加して形成された水による膨潤性を有するペレットよりなる、ことを特徴とする。
【０００８】
この発明では、主材に伝熱材たる粉体を添加して伝熱充填材とし、さらに伝熱充填材をペレットとして粒状に固形化しているので、伝熱充填材を削孔に投入した場合であっても、粉体がペレット内に留まり、したがって、粉体が主材から分離して削孔内のいずれかに偏って溜まってしまうことがない。これにより、主材よりもよい伝熱特性を備えた伝熱材たる粉体を分散させた状態のまま、削孔内を伝熱充填材で充填することができる。このように、伝熱材として、主材とは比重が異なる粉体を用いた場合であっても、主材と粉体とが分離することなく、削孔内で粉体を均等に分散させることができる。以上、この発明によれば、伝熱充填材を形成する材料の複雑な調合調整を要することなく、伝熱充填材中の伝熱材（粉体）を削孔内の所望の位置に設けることができる、即ち、伝熱材を初期の高さ位置に留めることができる。
【０００９】
また、主材は、ベントナイトからなることが好ましい。ベントナイトは、水の供給を受けることにより膨潤する膨潤性を備えている。このため、ペレットの投入後、削孔内に水を供給することでペレットが膨潤し、これによってペレット間の隙間が埋められることとなる。これにより、伝熱充填材における伝熱効率をより一層向上させることができる。また、ベントナイトは攪拌されることがなく、粘度を保っている。このため、比重の重い粉体を用いた場合であっても、主材と粉体とが分離することがなく、削孔内で粉体を均等に分散させることができる。
【００１０】
また、粉体は、鉄粉又は黒鉛粉からなることが好ましい。粉体として、鉄粉又は黒鉛粉を用いる場合には、伝熱充填材の伝熱特性が土壌よりもよくなり、熱交換パイプ内を流れる熱媒体と土壌との間の熱交換をより一層向上させることができる。また、粉体として鉄粉又は黒鉛粉を用いることで、これらの鉄粉又は黒鉛粉を主材に添加するだけで、伝熱特性のよい伝熱充填材を容易に作成することが可能となる。
【００１１】
また、本発明に係る地中熱交換装置は、地中に設けられた削孔に挿入される熱交換パイプと、該熱交換パイプの周囲に充填される伝熱充填材とを備えた地中熱交換装置であって、伝熱充填材は、所定の伝熱特性及び水による膨潤性を備えた主材に該主材よりも伝熱特性のよい粉体を添加して形成された水による膨潤性を有するペレットよりなる、ことを特徴とする。
【００１２】
この発明によれば、主材に、伝熱材たる粉体を添加して伝熱充填材とし、さらに伝熱充填材をペレットとして粒状に固形化しているので、伝熱充填材を削孔に投入した場合であっても、粉体がペレット内に留まり、したがって、粉体が主材から分離して削孔内のいずれかに偏って溜まってしまうことがない。これにより、主材よりもよい伝熱特性を備えた伝熱材たる粉体を分散させた状態のまま、削孔内に伝熱充填材を充填することができる。このように、伝熱材として、主材とは比重の異なる粉体を用いた場合であっても、主材と粉体とが分離することなく、削孔内で粉体を均等に分散させることができる。また、主材は、水の供給を受けることにより膨潤する膨潤性を備えている。このため、ペレットの投入後、削孔内に水を供給することでペレットが膨潤し、これによってペレット間の隙間が埋められることとなる。これにより、伝熱効率をより一層向上させることができる。また、主材は攪拌されることがなく、粘度を保っている。このため、比重の重い粉体を用いた場合であっても、主材と粉体とが分離することがなく、削孔内で粉体を均等に分散させることができる。以上、この発明によれば、複雑な調合調整を要することなく、伝熱充填材中の伝熱材（粉体）を削孔内の所望の位置に設けることができる。
【００１３】
また、伝熱充填材の外周は、削孔の周壁を形成する地中土壌に接触していることが好ましい。この場合には、地中土壌に伝熱充填材が直接接することとなるため、充填材と地中土壌との間での熱交換が可能となり、伝熱効率をより一層向上させることができる。また、ベントナイトの膨潤後において、伝熱充填材を地中土壌の地下水に接触させることができる。地下水は、地中土壌の温度に依存した所定の温度範囲にある有効な熱源であり、しかも所定温度の流体（地下水）が、熱交換部分で常に更新されるため、地中土壌よりも伝熱効率が高い。このため本構成によれば、伝熱充填材が熱源たる地下水との間でも熱交換できるものとなり、伝熱効率をさらに向上させることができる。
また、本発明に係る地中熱交換装置の施工方法は、地中に削孔を形成するステップと、削孔内に熱交換パイプを設置するステップと、削孔内に上記伝熱充填材を投入するステップと、伝熱充填材に水を供給するステップと、を含む。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、複雑な調合調整を要することなく、伝熱充填材中の伝熱材たる粉体を削孔内の所望の位置に設けることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】実施形態に係る地中熱交換システムの全体構成を示す図である。
【図２】膨潤前のペレットの詳細構造を示す図である。
【図３】削孔内に伝熱充填材を充填する工程を示すフローチャートである。
【図４】削孔内に伝熱充填材を充填する工程の変形例を示すフローチャートである。
【図５】伝熱充填材が充填される様子を示す図である。
【図６】削孔内に投入されたペレットの膨潤前の状態を示す図である。
【図７】削孔内に投入されたペレットの膨潤後の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る地中熱交換装置を地中熱交換システムに適用した実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。
【００１７】
図１は、実施形態の全体構成を示す図である。図１に示すように、地中熱交換システム１は、地中熱交換装置１０と、ヒートポンプ２０と、室内ユニット３０とを含んで構成される。
【００１８】
地中熱交換装置１０は、土壌Ｇの地表面から地中に向けて掘削された削孔Ｈ内に設置された地中側熱交換パイプ１１と、削孔Ｈ内において地中側熱交換パイプ１１の周囲に充填された伝熱充填材１２とを含んでいる。
【００１９】
地中側熱交換パイプ１１は、ヒートポンプ２０側から削孔Ｈ側へ熱媒体を導く導入側パイプ１１Ａと、削孔Ｈ側からヒートポンプ２０側へ熱媒体を導く導出側パイプ１１Ｂとを有している。導入側パイプ１１Ａ及び導出側パイプ１１Ｂのそれぞれの一端は、削孔Ｈの底部近傍まで延び、一端同士が互いに流通可能に連結されている。また、導入側パイプ１１Ａ及び導出側パイプ１１Ｂのそれぞれの他端は、ヒートポンプ２０まで延び、他端同士がヒートポンプ２０内で流通可能に連結されている。これにより、地中側熱交換パイプ１１によって、削孔Ｈの底部からヒートポンプ２０に亘って、閉じた流路が形成される。
【００２０】
また、地中側熱交換パイプ１１には、循環ポンプ２１が取り付けられている。循環ポンプ２１は、地中側熱交換パイプ１１内において熱媒体を循環させるポンプとして機能する。これにより、循環ポンプ２１を作動させることで、地中側熱交換パイプ１１内を熱媒体が流れ、削孔Ｈ内において地中側熱交換パイプ１１内の熱媒体に伝達された熱等を、ヒートポンプ２０側で利用することができる。
【００２１】
なお、地中側熱交換パイプ１１の材料として、例えば、樹脂製（架橋ポリエチレン、金属補強ポリエチレン）、或いは金属製（銅、ステンレス）のパイプを用いることができる。また、循環ポンプ２１として、直流ポンプ、或いは交流ポンプ等を用いることができ、出力は地中側熱交換パイプ１１の全長等に合わせて選択することができる。
【００２２】
また、削孔Ｈは、例えば、口径が１００〜２００ｍｍ、深さが５〜１００ｍの孔を用いることができる。また、削孔Ｈの形成方法として、ボーリング、回転埋設、或いは打撃等を用いることができる。
【００２３】
伝熱充填材１２は、削孔Ｈ内に投入された複数のペレット１２Ａにより形成される。ペレット１２Ａは水を含んで膨潤状態となっている。図２に、膨潤前のペレットの詳細構造を示す。図２に示すように、ペレット１２Ａは、主材としてのベントナイト１２Ｂに、ベントナイト１２Ｂよりも伝熱特性のよい鉄粉（粉体）１２Ｃを添加して形成されている。ペレット１２Ａは、鉄粉１２Ｃを添加したベントナイト１２Ｂを乾燥させたものであり、膨潤前の状態において、大きさが５〜２０ｍｍ程度の円筒状に形成されている。また、ペレット１２Ａは、比重が１以上となっている。なお、ペレット１２Ａの大きさは、一定であってもよく、図２に示すように、大きさが違うペレット１２Ａが混ざっていてもよい。
【００２４】
なお、ベントナイト１２Ｂとして、主成分が、モンモリトナイト、石英、雲母、長石等を含有し、熱伝導率が０．２〜１．０Ｗ／ｍＫの材料特性を有するものを用いることが好ましい。さらに本実施形態では、ベントナイト１２Ｂとして、乾燥した砂（熱伝導率０．３Ｗ／ｍＫ）、水（熱伝導率０．２Ｗ／ｍＫ）よりも熱伝導率が良いものを用いることがより好ましい。また、ペレット１２Ａを形成する際の、ベントナイト１２Ｂと鉄粉１２Ｃとの混合割合は、例えば、ベントナイト１２Ｂを６０％〜８０％、鉄粉１２Ｃを２０％〜４０％程度とすることが好ましい。
【００２５】
ヒートポンプ２０は、地中側熱交換パイプ１１を流れる熱媒体を介して得られる熱を用いて、室内ユニット３０側の室内側熱交換パイプ３１を流れる熱媒体との間で熱交換を行うものである。
【００２６】
室内ユニット３０は、住宅の室内に取り付けられ、室内側熱交換パイプ３１を流れる熱媒体を用いて冷房或いは暖房等を行うものである。室内ユニット３０として、例えば、エアコン、或いは床暖房設備等を用いることができる。
【００２７】
次に、削孔Ｈ内に伝熱充填材１２を充填する方法について説明する。図３は、削孔内に伝熱充填材を充填する工程を示すフローチャートであり、図５は、伝熱充填材が充填される様子を示す図である。まず、図５（ａ）及び図５（ｂ）に示すように、掘削機械１００を用いて、土壌Ｇの地表面から地中に向けて掘削を行い、削孔Ｈを形成する（ステップＳ１０１）。続いて、図５（ｃ）に示すように、削孔Ｈ内に、地中側熱交換パイプ１１を設置する（ステップＳ１０２）。
【００２８】
次に、図５（ｄ）に示すように、削孔Ｈ内に伝熱充填材１２たるペレット１２Ａを投入する（ステップＳ１０３）。削孔Ｈ内に投入するペレット１２Ａの量は、ペレット１２Ａに水を供給したときに、投入したすべてのペレット１２Ａに水が行き渡る量とする。これにより、すべてのペレット１２Ａが膨潤状態にされることとなる。このため、ペレット１２Ａ間の隙間は、ペレット１２Ａの膨潤によって著しく狭められるか或いはペレット１２Ａ同士が密着し合って埋められる。この結果、ペレット１２Ａ間の伝熱を阻害する空気の滞留空間が縮減され、伝熱充填材１２の伝熱特性が向上する。本実施形態においては、例えば、１回目に削孔Ｈ内に投入するペレット１２Ａの量として、削孔Ｈ内が深さの８分目程度までペレット１２Ａによって満たされる量とすることができる。但し、投入するペレット１２Ａの量は、削孔Ｈの径やペレット１２Ａの膨潤性能によっては、削孔Ｈ内が深さの８分目程度までペレット１２Ａによって満たされる量よりも少ない量であってもよく、或いは削孔Ｈが完全に埋まる量であってもよい。
【００２９】
次に、図５（ｅ）に示すように、削孔Ｈ内のペレット１２Ａに水Ｗを供給し、ペレット１２Ａを膨潤状態にする（ステップＳ１０４）。ペレット１２Ａは、水Ｗの投入直後において急激に膨張し、水Ｗの投入後８時間目以降は緩やかに膨張を続け、１週間程度で膨張が終了する。図６に示すように、削孔Ｈ内に水Ｗを供給する前は、ペレット１２Ａ間に隙間がある。ペレット１２Ａに水Ｗを供給してペレット１２Ａを膨潤状態にすることで、図７に示すようにペレット１２Ａが膨張し、ペレット１２Ａ間の隙間、及びペレット１２Ａを削孔Ｈの周壁との隙間が埋まる。
【００３０】
なお、かかる工程は、上記の施工に限定されず、図４のフローチャートに示すように、例えば削孔Ｈ内に全体の１０％〜２０％のペレット１２Ａを投入し（ステップＳ１０３）、その後水を供給し（ステップＳ１０４）、当該ペレット１２Ａをある程度膨潤させた後、削孔Ｈ内が膨潤状態のペレット１２Ａで満杯でない場合（ステップＳ１０４Ａ：ＮＯ）には、再び当該膨潤状態のペレット１２Ａ上にペレット１２Ａを投入し（ステップＳ１０３）、その後水を供給し（ステップＳ１０４）・・・との工程を、削孔Ｈ内の膨潤状態のペレット１２Ａが地表面と同じ高さとなる（ステップＳ１０４Ａ：ＹＥＳ）まで複数回繰り返す構成も採用可能である。
【００３１】
これらの工程を経て、膨潤状態としたペレット１２Ａによって削孔Ｈ内を満たすことで、図５（ｆ）に示すように、伝熱充填材１２の充填が完了する（ステップＳ１０５）。
【００３２】
本実施形態は以上のように構成され、ベントナイト１２Ｂに鉄粉１２Ｃを添加して伝熱充填材１２とし、さらに伝熱充填材１２をペレット１２Ａとして粒状に固形化しているので、伝熱充填材１２たるペレット１２Ａを削孔Ｈに投入した場合であっても、鉄粉１２Ｃがペレット１２Ａ内に留まり、したがって、鉄粉１２Ｃがベントナイト１２Ｂから分離して削孔Ｈ内のいずれかに偏って溜まってしまうことがない。これにより、ベントナイト１２Ｂよりもよい伝熱特性を備えた鉄粉１２Ｃを分散させた状態のまま、削孔Ｈ内を伝熱充填材１２で充填することができる。このように、伝熱材として、ベントナイト１２Ｂよりも比重の重い鉄粉１２Ｃを用いた場合であっても、ベントナイト１２Ｂと鉄粉１２Ｃとが分離することなく、削孔Ｈ内で鉄粉１２Ｃを均等に分散させることができる。以上、この実施形態によれば、伝熱充填材１２の複雑な調合調整を要することなく、伝熱充填材１２中の鉄粉１２Ｃを削孔Ｈ内の所望の位置に設けることができる、即ち、鉄粉１２Ｃを初期の高さ位置に留めることができる。
【００３３】
また、ベントナイト１２Ｂは、水Ｗの供給を受けることにより膨潤する膨潤性を備えている。このため、ペレット１２Ａの投入後、削孔Ｈ内に水Ｗを供給することでペレット１２Ａが膨潤し、これによってペレット１２Ａ間の隙間が埋められることとなる。これにより、伝熱充填材１２の伝熱効率をより一層向上させることができる。また、ベントナイト１２Ｂは攪拌されることがなく、粘度を保っている。このため、比重の重い鉄粉１２Ｃを用いた場合であっても、ベントナイト１２Ｂと鉄粉１２Ｃとが分離することがなく、削孔Ｈ内で鉄粉１２Ｃを均等に分散させることができる。
【００３４】
また、ベントナイト１２Ｂに添加する伝熱材として鉄粉１２Ｃを用いる場合には、伝熱充填材１２の伝熱特性が土壌Ｇよりもよくなり、地中側熱交換パイプ１１を流れる熱媒体と土壌Ｇとの間の熱交換をより一層向上させることができる。また、鉄粉１２Ｃをベントナイト１２Ｂに添加するだけで、伝熱特性のよい伝熱充填材１２を容易に作成することが可能となる。
【００３５】
また、土壌Ｇに伝熱充填材１２が直接接することとなるため、伝熱充填材１２と土壌Ｇとの間での熱交換が可能となり、伝熱効率をより一層向上させることができる。また、伝熱充填材１２を土壌Ｇの地下水に直接接触させることも可能となっている。地下水は、土壌Ｇの温度に依存した所定の温度範囲にある有効な熱源であり、しかも所定温度の流体（地下水）が、熱交換部分で常に更新されるため、土壌Ｇよりも伝熱効率が高い。このため、伝熱充填材１２が熱源たる地下水との間でも熱交換できるものとなり、伝熱効率をさらに向上させることができる。
【００３６】
また、伝熱充填材１２が削孔Ｈの周壁に接している、即ち、伝熱充填材１２が土壌Ｇに直接接触していることで、土壌Ｇからの水分によっても、ペレット１２Ａを膨潤させることができる。
【００３７】
本発明は上述の実施形態に限定されるものではない。例えば、上記実施形態では、ベントナイト１２Ｂに添加する伝熱材として鉄粉１２Ｃを用いるものとしたが、これに限定されず、例えば、黒鉛粉を用いた場合であっても、鉄粉１２Ｃの場合と同様の効果を得ることができる。なお、黒鉛粉を用いた場合には、黒鉛の純度が８０％以上のものを用いることが好ましい。また、鉄粉や黒鉛粉以外にも、伝熱材として他の材料を用いることもできる。
【００３８】
また、ペレット１２Ａにおいて、鉄粉１２Ｃの添加割合は適宜変更することができる。例えば、鉄粉１２Ｃの割合の多いペレット１２Ａと、鉄粉１２Ｃの割合の少ないペレット１２Ａとを混合し、伝熱充填材１２として使用することもできる。
【００３９】
また、ボーリング調査等を行うことにより、削孔Ｈを設ける土壌Ｇの層構成を把握することができ、土壌Ｇの各層の熱効率を知ることができる。これにより、削孔Ｈ内にペレット１２Ａを投入する際に、熱効率の大きい層の高さ位置には、この層と同程度の熱効率を有するペレット１２Ａを投入する等、削孔Ｈ内の伝熱充填材１２を周囲の土壌に合わせて層状に形成することも可能である。本実施形態では、ペレット１２Ａを用いて伝熱充填材１２を形成する構成であるために、伝熱充填材１２を土壌Ｇの各層の熱効率に合わせて層状に形成する施工を極めて容易に行うことができる。なお、従来は削孔の底部から上部に亘って一様に液体（スラリー）等を充填していたため、伝熱充填材を層状に形成することは困難である。
【００４０】
また、本実施形態では、ペレット１２Ａを円筒状としたが、円筒状に限定されるものではなく、適宜の形状のペレットを用いることができる。
【００４１】
また、本実施形態では、削孔Ｈ内に伝熱充填材１２たるペレット１２Ａを投入する構成であったが、削孔Ｈ内に鋼管を挿入し、当該鋼管内に伝熱充填材１２たるペレット１２Ａを投入する構成であってもよい。
【００４２】
また、本実施形態では、１つの削孔Ｈに地中側熱交換パイプ１１の設置及び伝熱充填材１２の充填を行って地中熱交換装置１０を形成する場合を例に説明したが、複数の削孔Ｈに、それぞれ地中側熱交換パイプ１１の設置及び伝熱充填材１２の充填を行って地中熱交換装置１０を形成してもよい。
【符号の説明】
【００４３】
１…地中熱交換システム、１０…地中熱交換装置、１１…地中側熱交換パイプ、１２…伝熱充填材、１２Ａ…ペレット、１２Ｂ…ベントナイト（主材）、１２Ｃ…鉄粉（粉体）、Ｇ…土壌、Ｈ…削孔。
【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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