(57)【要約】【課題】地中熱交換器を簡単に、かつ、確実に設置して、設置コストを大幅に削減することができる地中熱交換器兼用基礎杭を提供する【解決手段】中心軸線Ｏに沿って延びる筒状をなす既製中空杭体１０の中空部１１に、熱交換用パイプ２０が付設された地中熱交換器兼用基礎杭１であって、既製中空杭体１０及び熱交換用パイプ２０は、熱交換用パイプ２０の浮上を防止する浮上防止手段を備え、既製中空杭体１０の上端開口部及び下端開口部には、中空部１１への異物の侵入を防ぐためのカバー部材２６、２７が装着されていることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中心軸線に沿って延びる筒状をなす既製中空杭体の中空部に、熱交換用パイプが付設された地中熱交換器兼用基礎杭であって、
前記既製中空杭体及び前記熱交換用パイプは、前記熱交換用パイプの浮上を防止する浮上防止手段を備え、
前記既製中空杭体の上端開口部及び下端開口部には、前記中空部への異物の侵入を防ぐためのカバー部材が装着されていることを特徴とする地中熱交換器兼用基礎杭。
【請求項２】
前記既製中空杭体の前記上端開口部は、前記カバー部材を着脱可能な構成とされており、前記既製中空杭体の前記下端開口部は、前記カバー部材を取り付け可能な構成とされていることを特徴とする請求項１に記載の地中熱交換器兼用基礎杭。
【請求項３】
前記既製中空杭体は、既製コンクリート杭体であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の地中熱交換器兼用基礎杭。
【請求項４】
前記熱交換用パイプは、熱媒体が上方から下方へと流通する下降流路と前記熱媒体が下方から上方へと流通する上昇流路とを有し、
前記下降流路と前記上昇流路とは、前記中心軸線に直交する断面において、前記中心軸線を挟んで互いに対向するように間隔をあけて配置されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の地中熱交換器兼用基礎杭。
【請求項５】
前記熱交換用パイプには、前記下降流路と前記上昇流路との間隔を確保するためのスペーサが配設されていることを特徴とする請求項４に記載の地中熱交換器兼用基礎杭。
【請求項６】
請求項１から請求項５のいずれかに記載の地中熱交換器兼用基礎杭を用いた地中熱交換器の設置方法であって、
前記カバー部材を装着した状態の前記地中熱交換器兼用基礎杭を地盤面よりも深い位置まで打設した後、根切りを行って前記地中熱交換器兼用基礎杭の上端部分を露出させ、前記上端開口部に設けられたカバー部材を取り外し、前記熱交換用パイプの開口端に配管を接続してその内部に熱媒体を注入するとともに、前記中空部に充填材を充填して前記熱交換用パイプを固定することを特徴とする地中熱交換器の設置方法。
【請求項７】
請求項６に記載の地中熱交換器の設置方法によって、地中に埋設されたことを特徴とする地中熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、建造物を建設する際に、地中に打設されて使用される基礎杭であって、建造物の空調設備の熱源などに利用可能な地中熱交換器としての機能を備えた地中熱交換器兼用基礎杭、この地中熱交換器兼用基礎杭を用いた地中熱交換器の設置方法、及び、この地中熱交換器の設置方法により埋設された地中熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
周知のように、軟弱地盤等に建築構造物を建造する場合には、地中に複数の基礎杭を打設し、この基礎杭上に建築構造物を構築して建築構造物の基礎の安定化を図っている。なお、この基礎杭は、一般に円筒状をなしている。
ところで、近年、前記のような基礎構造において、基礎杭の内部に熱交換用パイプを配設し、基礎杭に地中熱交換器の機能を備えさせた地中熱交換器兼用基礎杭が提供されている。この地中熱交換器兼用基礎杭は、建造物を構築後に、前記熱交換用パイプ内に熱媒体を循環させ、この熱媒体を介して、基礎杭の周縁部における地中温度と略同温となっている基礎杭の熱を回収し、この熱により冷暖房用、給湯用及び融雪用の各種冷熱機器等を作動させるものである。
【０００３】
ここで、熱交換用パイプを基礎杭の内部に配設し、地中熱交換器を設置する方法として、つぎのようなものが提案されている。
特許文献１には、基礎杭を地中に打ち込んだ後に、水が注入された熱交換用パイプを挿入して、中空部に充填材を充填して前記熱交換パイプを固定する方法が提案されている。
また、特許文献２には、筒状の基礎杭の内周面に熱交換用パイプを予め付設しておき、この基礎杭を地中に打設する方法が提案されている。
さらに、特許文献３には、基礎杭の内部に予め熱交換用パイプを埋設させておき、この基礎杭を地中に打設する方法が提案されている。
【特許文献１】特開２００４−２３３０３１号公報
【特許文献２】特開２００３−１４８０７９号公報
【特許文献３】特開２００５−６９５０７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１においては、基礎杭を打設した後に熱交換用パイプを挿入、固定するので、工事現場における作業が多く、地中熱交換器の設置に多くの時間と労力を要する。また、熱交換用パイプが浮き上がらないように、熱交換用パイプの内部に水を注入しているので、この熱交換用パイプ内に熱媒体を注入する際に、エアロック状態となって空気抜きが困難となるといった問題があった。
【０００５】
また、特許文献２においては、筒状の基礎杭を地中に打設しているので、基礎杭の下端開口部から中空部に土砂が入り込んできて、熱交換用パイプが損傷してしまうおそれがあった。また、中空部に入り込んだ土砂が障害となり、中空部に充填材を充填できなくなるといった問題があった。
【０００６】
さらに、特許文献３においては、基礎杭が中実構造となっているので、大径、長尺の場合には重量が重くなり、基礎杭を打設する際に大型の重機を用いる必要があり、地中熱交換器の設置コストが増加してしまう。また、基礎杭の上端に熱交換用パイプの接続部が設けられているので、この基礎杭を地盤面よりも深く埋め込むことができない。したがって、基礎杭を打設する前に根切りを行う必要がある。この場合、大型の重機を根切りした部分に搬入するために根切り作業を広い範囲で行う必要があり、地中熱交換器の設置に多くの時間と労力を要することになる。
【０００７】
本発明は、前述した事情に鑑みてなされたものであって、地中熱交換器を簡単に、かつ、確実に設置することができる地中熱交換器兼用基礎杭、地中熱交換器の設置方法及び地中熱交換器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】
【０００８】
前述した目的を達成するために、本発明に係る地中熱交換器兼用基礎杭は、中心軸線に沿って延びる筒状をなす既製中空杭体の中空部に、熱交換用パイプが付設された地中熱交換器兼用基礎杭であって、前記既製中空杭体及び前記熱交換用パイプは、前記熱交換用パイプの浮上を防止する浮上防止手段を備え、前記既製中空杭体の上端開口部及び下端開口部には、前記中空部への異物の侵入を防ぐためのカバー部材が装着されていることを特徴としている。
【０００９】
この構成の地中熱交換器兼用基礎杭においては、既製中空杭体の中空部に熱交換器用パイプが付設されているので、この基礎杭を地中に打設することで地中熱交換器を埋設することができる。また、中空部を有しているので、その重量が必要以上に重くなく、打設する際に大型の重機を使用する必要がない。したがって、地中熱交換器の設置コストを大幅に削減することができる。
【００１０】
また、熱交換器用パイプの浮上防止手段を備えているので、中空部に充填材を注入する際に熱交換用パイプが浮き上がることがない。したがって、熱交換器用パイプの内部に水を注入する必要がなく、熱交換用パイプの内部に熱媒体を注入する際のエア抜きを容易に行うことができる。
【００１１】
また、筒状の既製中空杭体の下端開口部にカバー部材が装着されているので、この基礎杭を打設した際に、中空部に土砂が入り込むことがなく、中空部に付設された熱交換用パイプを保護することができる。さらに、中空部に充填材をスムーズに充填することができる。
さらに、既製中空杭体の上端開口部にもカバー部材が装着されているので、この基礎杭を地盤面の下側まで打設しても中空部に土砂等が入り込むことがない。したがって、通常の杭と同様に打設作業を行うことができ、地中熱交換器の設置コストをさらに削減することができる。
【００１２】
ここで、前記既製中空杭体の前記上端開口部を、前記カバー部材を着脱可能な構成とし、前記既製中空杭体の前記下端開口部を、前記カバー部材を取り付け可能な構成としてもよい。
この場合、例えば、杭体を製造する工場において中空部に熱交換用パイプを配設しておき、上端開口部及び下端開口部にカバー部材を装着した状態で工事現場へと搬入して打設してもよい。また、下端開口部にのみカバー部材を装着した状態で工事現場へと搬入し、工事現場において上端開口部にカバー部材を装着して打設することもできる。さらには、上端開口部及び下端開口部の両方にカバー部材を装着しない状態で工事現場に搬入し、工事現場において上端開口部及び下端開口部にそれぞれカバー部材を装着して打設することもできる。
【００１３】
また、前記既製中空杭体を、既製コンクリート杭体としてもよい。この場合、遠心力成形された高強度コンクリート杭（ＰＨＣ杭）等を利用して地中熱交換器兼用基礎杭を構成することができる。また、上端開口部、下端開口部へのカバー部材の着脱が容易である。
【００１４】
また、前記熱交換用パイプを、熱媒体が上方から下方へと流通する下降流路と前記熱媒体が下方から上方へと流通する上昇流路とを有するものとし、前記下降流路と前記上昇流路とを、前記中心軸線に直交する断面において、前記中心軸線を挟んで互いに対向するように間隔をあけて配置してもよい。
この場合、上昇流路を流通する熱媒体と下降流路を流通する熱媒体との間での熱交換を防止でき、効率良く地中熱を回収することができる。
【００１５】
ここで、前記熱交換用パイプに、前記下降流路と前記上昇流路との間隔を確保するためのスペーサを配設してもよい。この場合、前記中空部に充填材を充填しても下降流路と上昇流路との間隔を維持できる。
【００１６】
また、本発明に係る地中熱交換器の設置方法は、地中熱交換器兼用基礎杭を用いた地中熱交換器の設置方法であって、前記カバー部材を装着した状態の前記地中熱交換器兼用基礎杭を地盤面よりも深い位置まで打設した後、根切りを行って前記地中熱交換器兼用基礎杭の上端部分を露出させ、前記上端開口部に設けられたカバー部材を取り外し、前記熱交換用パイプの開口端に配管を接続してその内部に熱媒体を注入するとともに、前記中空部に充填材を充填して前記熱交換用パイプを固定することを特徴としている。
【００１７】
この構成の地中熱交換器の設置方法によれば、基礎杭を地盤面よりも深い位置まで打設した後に根切りを行うので、根切り作業を必要最低限に抑えることができる。したがって、地中熱交換器の設置コストを大幅に削減することができる。
【００１８】
さらに、本発明に係る地中熱交換器は、前述の地中熱交換器の設置方法によって、地中に埋設されたことを特徴としている。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、地中熱交換器を簡単に、かつ、確実に設置することができる地中熱交換器兼用基礎杭、地中熱交換器の設置方法及び地中熱交換器を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下に、本発明の第１の実施形態について添付した図面を参照して説明する。図１から図３に本発明の第１の実施形態である地中熱交換器兼用基礎杭を示す。
本実施形態である地中熱交換器兼用基礎杭１は、概略円筒状をなす既製コンクリート杭体１０と、既製コンクリート杭体１０の内部に配置される熱交換用パイプ２０とを備えている。
【００２１】
既製コンクリート杭体１０は、遠心力成形された高強度コンクリート杭（ＰＨＣ杭）である。外形が中心軸線Ｏに沿って延びる円筒状をなしており、上端側及び下端側に向けて開口した中空部１１を備えている。
既製コンクリート杭体１０の下端開口部には、既製コンクリート杭体１０の直径方向に延びるように、鉄製の固定用バー１２（鉄筋）が溶接されている。
【００２２】
熱交換用パイプ２０は、熱媒体を既製コンクリート杭体１０の上端側から下端側に向けて流入させる下降流路２１と、熱媒体を既製コンクリート杭体１０の下端側から上端側に向けて流出させる上昇流路２２と、これら下降流路２１と上昇流路２２とを連設する連結流路２３とを備えている。本実施形態では、下降流路２１及び上昇流路２２は互いに平行に配置され、連結流路２３はこれら下降流路２１及び上昇流路２２と直交するように配置されており、熱交換用パイプ２０全体として概略Ｕ字状をなしている。また、下降流路２１と上昇流路２２との間には、互いに平行な状態で支持するためのスペーサ金具２４が、これら下降流路２１と上昇流路２２の長手方向に複数（本実施形態では、図１に示すように３つ）設けられている。
【００２３】
このような熱交換用パイプ２０が、既製コンクリート杭体１０の下端開口部から中空部１１に挿入され、下降流路２１及び上昇流路２２が、それぞれ既製コンクリート杭体１０の中心軸線Ｏと平行に延びるように、かつ、中心軸線Ｏを挟んで互いに対向するように間隔をあけて配置される。これにより、これら下降流路２１と上昇流路２２は、既製コンクリート杭体１０の内周面に沿うように配置される。
【００２４】
また、この熱交換用パイプ２０の浮上を防止するために、連結流路２３が針金等によって前記固定用バー１２に縛り付けられている。さらに、下降流路２１及び上昇流路２２のそれぞれの開口端は、既製コンクリート杭体１０の上端開口部に向くように配置され、これらの開口端にはキャップ２５が被着されている。
【００２５】
そして、既製コンクリート杭体１０の下端開口部には、中空部１１への異物の侵入を防ぐためのカバー部材として、円板状をなす鉄製の底蓋２６が設けられている。底蓋２６には、複数の取り付けボルト２８が挿通されていて、これらの取り付けボルト２８が既製コンクリート杭体１０の下端面に形成されたボルト孔に螺着されることで固定されている。
また、既製コンクリート杭体１０の上端開口部には、中空部１１への異物の侵入を防ぐためのカバー部材として、円板状をなす鉄製の天蓋２７が設けられている。天蓋２７には、複数の取り付けボルト２８が挿通されていて、これらの取り付けボルト２８が、既製コンクリート杭体１０の上端面に形成された杭頭補強用筋接続用のボルト孔に螺着されることで固定されている。
【００２６】
このような構成とされた地中熱交換器兼用基礎杭１は、次のようにして地中に打設されて地中熱交換器が埋設される。
既製コンクリート杭体１０の下端側から地中に向けて打設する。ここで、通常のＰＨＣ杭と同様に、既製コンクリート杭体１０を地盤面よりも深い位置まで打設して地中に完全に埋め込む。その後、根切り作業を行い、既製コンクリート杭体１０の上端部分を露出させ、天蓋２７を取り外す。そして、熱交換用パイプ２０の下降流路２１及び上昇流路２２の開口端に被着されたキャップ２５を取り外して接続配管（図示なし）に接続し、熱交換用パイプ２０の内部に熱媒体を注入する。そして、中空部１１に例えばモルタル等の充填材を充填して、熱交換用パイプ２０を完全に固定する。
なお、前記天蓋２７を取り外した後の前記ボルト孔には、杭頭補強用筋が接続される。
【００２７】
本実施形態である地中熱交換器兼用基礎杭１によれば、既製コンクリート杭体１０の中空部１１に熱交換用パイプ２０が挿入されているので、この既製コンクリート杭体１０を打設することで地中熱交換器を埋設することができる。また、既製コンクリート杭体１０が中空部１１を有するＰＨＣ杭であるので、大型の重機を使用することなく打設することができる。したがって、地中熱交換器の設置コストを大幅に削減することができる。
【００２８】
また、熱交換用パイプ２０は、既製コンクリート杭体１０の下端に設けられた固定用バー１２に針金等によって縛り付けられ、浮上防止手段が施されているので、中空部１１にモルタル等の充填材を充填する際に熱交換用パイプ２０が浮き上がることがない。したがって、熱交換用パイプ２０に水を注入しておく必要がなく、熱交換用パイプ２０に熱媒体を注入する際のエア抜きを容易に行うことができる。
【００２９】
また、既製コンクリート杭体１０の下端開口部に底蓋２６が取り付けられているので、地中熱交換器兼用基礎杭１を打設した際に、中空部１１に土砂が入り込むことがなく、中空部１１に挿入された熱交換用パイプ２０を保護することができるとともに、中空部１１に充填材をスムーズに充填することができる。
さらに、既製コンクリート杭体１０の上端開口部に天蓋２７が取り付けられているので、地中熱交換器兼用基礎杭１を地盤面の下側まで打設しても中空部１１に土砂等が入り込むことがない。したがって、通常のＰＨＣ杭と同様に打設作業を行うことができ、地中熱交換器の設置コストを削減することができる。
【００３０】
また、熱交換用パイプ２０の下降流路２１と上昇流路２２とが、中心軸線Ｏと互いに平行に、かつ、中心軸線Ｏを挟んで互いに対向するように間隔をあけて配置されているので、上昇流路２２を流通する熱媒体と下降流路２１を流通する熱媒体との間での熱交換を防止でき、効率良く地中熱を回収することができる。
さらに、本実施形態では、スペーサ金具２４が複数設けられているので、中空部１１に充填材を充填しても下降流路２１と上昇流路２２との間隔を維持できる。
【００３１】
さらに、本実施形態では、既製コンクリート杭体１０（ＰＨＣ杭）を製造する工場において、熱交換用パイプ２０を中空部１１に挿入して圧力検査を行い、底蓋２６及び天蓋２７を取り付けた状態で出荷することができ、工事現場においては通常のＰＨＣ杭と同様に打設作業を行うのみでよい。したがって、熱交換用パイプ２０の気密性を確保することができ、地中熱交換器の品質を飛躍的に向上させることができる。
【００３２】
次に、本発明の第２の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。なお、第１の実施形態と同一の構成要素には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。図４に、本発明の第２の実施形態である地中熱交換器兼用基礎杭１を示す。
本実施形態である地中熱交換器兼用基礎杭１は、第１の実施形態と同様に概略円筒状をなす既製コンクリート杭体１０と、既製コンクリート杭体１０の内部に配置される熱交換用パイプ２０とを備えている。
【００３３】
本実施形態においては、熱交換用パイプ２０の配置が第１の実施形態と異なっている。すなわち、図４に示すように、熱交換用パイプ２０の下降流路２１及び上昇流路２２は、それぞれ既製コンクリート杭体１０の内周面に沿って螺旋状に配置されている。ここで、下降流路２１及び上昇流路２２は、中心軸線Ｏに直交する断面において、中心軸線Ｏを挟んで互いに対向する位置に配置されている。
さらに、既製コンクリート杭体１０の上端部分には、既製コンクリート杭体１０の直径方向に延びる第２固定用バー１３（鉄筋）が配設されており、下降流路２１及び上昇流路２２は、針金等によって第２固定用バー１３に縛り付けられている。
【００３４】
この構成の地中熱交換器兼用基礎杭１によれば、下降流路２１及び上昇流路２２は、それぞれ既製コンクリート杭体１０の内周面に沿って螺旋状に配置されているので、地中での表面積が大きくなり、地中熱を効率的に回収することができる。また、下降流路２１及び上昇流路２２は、中心軸線Ｏに直交する断面において、中心軸線Ｏを挟んで互いに対向する位置に配置されているので、上昇流路２２を流通する熱媒体と下降流路２１を流通する熱媒体との間での熱交換を防止できる。なお、下降流路２１及び上昇流路２２が、針金等によって既製コンクリート杭体１０の上端部分に設けられた第２固定用バー１３に縛り付けられているので、らせん状に配置された下降流路２１及び上昇流路２２が、そのねじれが解消されるように変形することを防止できる。
【００３５】
次に、本発明の第３の実施形態について、添付した図面を参照して説明する。なお、第１、第２の実施形態と同一の構成要素には同じ符号を付して詳細な説明を省略する。図５及び図６に、本発明の第３の実施形態である地中熱交換器兼用基礎杭１を示す。
本実施形態である地中熱交換器兼用基礎杭１は、第１、第２の実施形態と同様に概略円筒状をなす既製コンクリート杭体１０と、既製コンクリート杭体１０の内部に配置される熱交換用パイプ２０とを備えている。
【００３６】
本実施形態においては、熱交換用パイプ２０の配置が第１、第２の実施形態と異なっている。すなわち、図５及び図６に示すように、熱交換用パイプ２０は、第１下降流路２１Ａ、第１上昇流路２２Ａ及びこれらを接続する第１連結流路２３Ａと、第２下降流路２１Ｂ、第２上昇流路２２Ｂ及びこれらを接続する第２連結流路２３Ｂとを備えている。第１上昇流路２２Ａと第２下降流路２１Ｂとは接続配管２９によって連設されている。そして、第１下降流路２１Ａの開口端及び第２上昇流路２２Ｂの開口端が、既製コンクリート杭体１０の上端開口部に向けられてキャップ２５が被着されている。
【００３７】
この構成の地中熱交換器兼用基礎杭１によれば、２つの下降流路２１Ａ、２１Ｂと２つの上昇流路２２Ａ、２２Ｂとを備えているので、地中での表面積が大きくなり、地中熱を効率的に回収することができる。
【００３８】
以上、本発明の実施形態である地中熱交換器兼用基礎杭について説明したが、本発明はこれに限定されることはなく、その発明の技術的思想を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
例えば、既製中空杭体として円筒状をなす既製コンクリート杭体を適用したものとして説明したが、これに限定されることはなく、鋼管等の他の材質で構成されていてもよいし、断面楕円形状や矩形状をなす筒体であってもよい。
【００３９】
また、既製コンクリート杭体の下端開口部に固定用バーを設けて、これに熱交換用パイプを針金等で縛り付けることで、熱交換用パイプの浮き上がりを防止する構成としたもので説明したが、これに限定されることはなく、例えば、取付金具等で既製コンクリート杭体の内周面に熱交換用パイプを固定する等の他の浮上防止手段を講じていてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】本発明の第１の実施形態である地中熱交換器兼用基礎杭の側面断面図である。
【図２】図１におけるＸ方向矢視図である。
【図３】図１におけるＹ方向矢視図である。
【図４】本発明の第２の実施形態である地中熱交換器兼用基礎杭の側面断面図である。
【図５】本発明の第３の実施形態である地中熱交換器兼用基礎杭の側面断面図である。
【図６】図５に示す地中熱交換器兼用基礎杭の中空部を上方から見た図である。
【符号の説明】
【００４１】
１  地中熱交換器兼用基礎杭
１０  既製コンクリート杭体（既製中空杭体）
１１  中空部
１２  固定用バー
２０  熱交換用パイプ
２１  下降流路
２２  上昇流路
２４  スペーサ金具（スペーサ）
２６  底蓋（カバー部材）
２７  天蓋（カバー部材）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
2008096063.tif 000006
【図５】
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【図６】
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