(57)【要約】【課題】低コストかつ成形性のよい材料の配管であって熱伝導率の高い配管を含む地中熱交換器を提供すること。【解決手段】本願の地中熱交換器は、地中の物質と熱媒体との間で熱交換を行わせるために、熱媒体の流路としてのＵ字形配管を地中に埋設した地中熱交換器である。特に、このＵ字形配管が樹脂よりも熱伝導率の高い物質を含有する高熱伝導性の樹脂を含むことを特徴とする。ここで、樹脂よりも熱伝導率の高い物質は、低融点合金で結合された熱伝導性のフィラーである。このようにすることで、架橋ポリエチレンなどの一般的な樹脂よりも配管の熱伝導率を高めることができる。そして、配管中を循環する熱媒体の配管周辺の物質に対する採放熱効率を高めることができる。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中の物質と熱媒体との間で熱交換を行わせるために前記熱媒体の流路としての配管を前記地中に埋設した地中熱交換器であって、前記配管が樹脂よりも熱伝導率の高い物質を含有する高熱伝導性樹脂を含むことを特徴とする地中熱交換器。
【請求項２】
前記熱伝導率の高い物質は、熱伝導性のフィラーを含むことを特徴とする、請求項１に記載の地中熱交換器。
【請求項３】
前記熱伝導率の高い物質は、低融点合金でつながれた熱伝導性のフィラーを含むことを特徴とする、請求項１又は２に記載の地中熱交換器。
【請求項４】
前記配管の周囲は、熱伝導性のフィラーを含有したモルタルで充填されることを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の地中熱交換器。
【請求項５】
前記配管の周囲は、低融点合金でつながれた熱伝導性のフィラーを含有したモルタルで充填されることを特徴とする、請求項１〜４のいずれかに記載の地中熱交換器。
【請求項６】
前記配管には、該配管の外表面に前記高熱伝導樹脂からなるフィンが一体成形されていることを特徴とする、請求項１〜５のいずれかに記載の地中熱交換器。
【請求項７】
前記フィンの形状がキャタピラ形、らせん形、又は、せん毛形のいずれかの形状を含むことを特徴とする、請求項６に記載の地中熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中において熱媒体を介して熱の採放熱を行う地中熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中熱交換器はＵ字形の配管を地中に埋設し、配管内を通る熱媒体と地中の物質との間で熱交換を行わせる。そして、地中において採放熱した熱媒体の熱が空調などの設備において使用される。
【０００３】
地中熱交換器において地中に埋設される配管は、一般樹脂の中では熱伝導率が高く、耐候性及び成型性に優れた架橋ポリエチレン製の配管が使用されることが多かった。また、特許文献１及び特許文献２には、ポリエチレンより熱伝導率の高い銅やアルミニウムで作られた直管を使用した地中熱交換器が示されている。
【特許文献１】特開２００３−３０２１０９号公報
【特許文献２】特開２００３−２６２４０６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
架橋ポリエチレンの熱伝導率は、０．４（Ｗ／ｍＫ）程度で、土壌やモルタルの熱伝導率（１．０（Ｗ／ｍＫ）程度）と比べて低い。よって、配管中を流れる熱媒体が配管周辺の物質と熱交換を行う上で、この架橋ポリエチレン製の配管自体が熱抵抗となっていた。また、このように、架橋ポリエチレン製の配管はこの配管の周辺物質に比して熱伝導率が低く、配管の外表面にフィンなどを付けた場合であっても採放熱性を高めることができない。一方で、銅管など熱伝導性が高く防錆型の金属管を使用することとすると採放熱性を高めることはできるが、これらの材料はコストが高く、さらに、加工の自由度がプラスチックなどの樹脂に比して低いという欠点があった。
【０００５】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、低コストかつ成形性のよい材料の配管であって熱伝導率の高い配管を含む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】
【０００６】
このような目的を達成するために本発明に係る地中熱交換器は、地中の物質と熱媒体との間で熱交換を行わせるために前記熱媒体の流路としての配管を前記地中に埋設した地中熱交換器であって、前記配管が樹脂よりも熱伝導率の高い物質を含有する高熱伝導性樹脂を含むことを特徴とする。
【０００７】
このように、樹脂よりも熱伝導率の高い物質を含有する高熱伝導性の樹脂の配管を使用することで、架橋ポリエチレンなどの一般的な樹脂よりも配管の熱伝導率を高めることができる。そして、配管中を循環する熱媒体の配管周辺の物質（例えば、土壌、モルタルなど）に対する採放熱効率を高めることができる。また、高熱伝導性の樹脂を使用することで、プラスチックの加工の自由性と製造時の低コスト性も両立させることができる。
【０００８】
また、本発明に係る地中熱交換器において、前記熱伝導率の高い物質は、熱伝導性のフィラーを含むことを特徴とする。  
このようにすることで、配管の熱伝導率を高めることができ、配管中を循環する熱媒体の配管周辺の物質に対する採放熱効率を高めることができる。
【０００９】
また、本発明に係る地中熱交換器において、前記熱伝導率の高い物質は、低融点合金でつながれた熱伝導性のフィラーを含むことを特徴とする。  
このようにすることで、熱伝導性のフィラー間に低融点合金による熱の伝達経路が形成される。そうすると、低融点合金を介して熱伝導性フィラー間の熱が移動しやすくなる。よって、このような物質を含むことによって、配管の熱伝導率をより高めることができる。
【００１０】
また、本発明に係る地中熱交換器において、前記配管の周囲は、熱伝導性のフィラーを含有したモルタルで充填されることを特徴とする。  
このようにすることで、配管の周囲を取り囲むモルタル自体の熱伝導率を高めることができる。そして、配管内を通る熱媒体と土壌との間の熱交換をこの高熱伝導性のモルタルを介してより効率的に行うことができる。
【００１１】
また、本発明に係る地中熱交換器において、前記配管の周囲は、低融点合金でつながれた熱伝導性のフィラーを含有したモルタルで充填されることを特徴とする。
【００１２】
このようにすることで、熱伝導性のフィラー間に低融点合金による熱の伝達経路が形成される。そうすると、低融点合金を介して熱伝導性フィラー間の熱が移動しやすくなる。よって、モルタルの熱伝導率をより高めることができる。
【００１３】
また、本発明に係る地中熱交換器において、前記配管には、該配管の外表面に前記高熱伝導性樹脂からなるフィンが一体成形されていることを特徴とする。  
このようにすることで、配管の周囲の物質に対する接触面積を広くすることができるので、熱媒体と配管周辺の物質との熱交換効率をより高めることができる。
【００１４】
また、本発明に係る地中熱交換器において、前記フィンの形状がキャタピラ形、らせん形、又は、せん毛形のいずれかの形状を含むことを特徴とする。  
このようにすることで、配管の周囲の物質に対する接触面積を広くすることができるため、熱媒体と配管周辺の物質との熱交換効率をより高めることができる。
【発明の効果】
【００１５】
このように、樹脂よりも熱伝導率の高い物質を含有する高熱伝導性の樹脂の配管を使用することで、架橋ポリエチレンなどの一般的な樹脂よりも配管の熱伝導率を高めることができる。そして、配管中を循環する熱媒体の配管周辺の物質（例えば、土壌、モルタルなど）に対する採放熱効率を高めることができる。また、高熱伝導性の樹脂を使用することで、プラスチックの加工の自由性と製造時の低コスト性も両立させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
以下に、地中熱交換器の実施形態について、添付の図面を用いて説明する。  
地中の土壌温度は、年間でほぼ一定の温度となっている。よって、夏は空気の温度よりも土壌温度のほうが低いことから、この土壌の温度を冷房熱源として利用することができる。一方、冬は空気の温度よりも土壌温度の方が高いことから、この土壌の温度を暖房熱源として利用することができる。地中熱交換器は、このように地中の熱を利用するべく、地中において熱媒体に熱の採放熱を行わせるためのものである。
【００１７】
図１は、本実施形態における地中熱交換器１を説明するための図である。図２は、地中に埋設されるＵ字形配管２を説明するための図である。
【００１８】
図１には、地中に埋設された地中熱交換器１が示されている。また、地上に建設されたビル３が示され、このビル３の内部に冷暖房機４が設置されている様子が示されている。また、ビル３の内部にはヒートポンプ５が設置されている。ヒートポンプ５は地中熱交換器１の熱媒体からの熱を利用して、暖房のための温水、又は、冷房のための冷水を生成する。この温水又は冷水を利用して、冷暖房機４は、ビル３の冷暖房を行う。熱媒体の温度を有効に利用できるように、ヒートポンプ５は、地中熱交換器１の配管に近い位置であるビル３の地下階に配置されている。
【００１９】
地中熱交換器１は、複数のＵ字形配管２を含んでいる。Ｕ字形配管２は坑井２４に埋設される。そして、Ｕ字形配管２と坑井２４との間には、例えばモルタルが充填される。Ｕ字形配管２は、熱媒体を地中側に送る往路配管２１と、この熱媒体を地上側に送る復路配管２２を含んでいる。往路配管２１及び復路配管２２は、ヒートポンプ５側から延びる。これら往路配管２１及び復路配管２２は、熱媒体が循環可能なようにヒートポンプ５において連結されている。また、これら往路配管２１と復路配管２２は、熱媒体が循環可能なようにＵ字形の曲り配管２３によって連結されている。
【００２０】
地中熱交換器１内の熱媒体は、不凍液や水が使用される。この水は、不図示の循環ポンプによって地中熱交換器１の配管内を循環させられる。このようにすることで、ヒートポンプ５側から出た循環水は、往路配管２１、Ｕ字形配管２３、復路配管２２を順番に通りヒートポンプ５側に戻るようになっている。熱媒体である水は、Ｕ字形配管２内を流れることにより、配管周辺の物質との熱交換を行うようになっている。ヒートポンプ５は、地中において採放熱した熱媒体の熱を利用して、夏は冷房用の冷水を生成し、冬は暖房用の温水を生成する。
【００２１】
Ｕ字形配管２は、後述する高熱伝導性の樹脂によって形成されている。ここで使用される樹脂は１．０〜３０．０（Ｗ／ｍＫ）程度の熱伝導率を有する。モルタルや土壌の熱伝導率は０．６〜１．０（Ｗ／ｍＫ）程度であるので、このＵ字形配管２のほうが熱伝導率が高い。よって、このＵ字形配管２を使用することで、Ｕ字形配管２内を通る循環水が地中において効率的に採放熱することができるようになっている。尚、熱媒体が通る配管のうち、地中と熱交換を行う場所以外の配管については、高熱伝導性の樹脂を使用しなくてもよい。この高熱伝導性の樹脂の組成については、後に詳述する。
【００２２】
次に、このＵ字形配管の地中への埋設方法について説明する。まず、減速機でオーガスクリューを回転させながら地中の削孔を行う。ここでは、約１００ｍの深さを削孔する。削孔がなされ坑井２４が作られると、オーガスクリュー内部に仮ケーシングを挿入し、オーガスクリューのみを引き抜く。そうすると仮ケーシングが坑井２４に残ることとなる。この仮ケーシングは中空の配管であって、後にＵ字形配管２を挿入する際にガイドとなるものである。
【００２３】
次に仮ケーシングの中空部に前述のＵ字形配管２を通す。次に、仮ケーシングを引き抜きながら坑井２４にモルタルなどの固化材を注入する。このようにすることで、坑井２４における孔壁とＵ字形配管との間の空隙がモルタルによって充填され、Ｕ字形配管２は地中内で固定される。尚、ここでは、坑井にモルタルが充填されたが、土壌を埋め戻すこととしてもよい。
【００２４】
図３（ａ）は、ヒートポンプ５を使用して温水を生成する過程を説明するための図である。図には、ヒートポンプ５の概略が示されている。ヒートポンプ５は、代替フロン等の冷媒が封入された冷媒管路５５を含む。この冷媒管路５５には、代替フロンを圧縮するための圧縮機５１と、代替フロンを膨張して蒸発させるための膨張弁５２が取り付けられている。また、この冷媒管路５５には、熱源側熱交換器５３と負荷側熱交換器５４が取り付けられている。熱源側熱交換器５３は、Ｕ字形配管２内の循環水と冷媒管路５５の代替フロンとの間で熱交換を行わせるための熱交換器である。また、負荷側熱交換器５４は、冷媒管路５５の代替フロンと冷暖房用配管５７の循環水との間で熱交換を行わせるための熱交換器である。
【００２５】
暖房運転が行われるときのヒートポンプ５の動作について順を追って説明する。まず、冷暖房用配管５７の循環水と熱交換した代替フロンは冷却され、膨張弁５２によって減圧されることによって、さらに低温となって熱源側熱交換器５３に入る。一方、Ｕ字形配管２の復路配管２２から地中において温められた循環水が熱源側熱交換器５３に入る。ここで、代替フロンは、熱源側熱交換器５３において復路配管２２からの循環水と熱交換を行って温められる。温められた代替フロンは、圧縮機５１に圧縮されてより高温になる。そして、負荷側熱交換器５４に送られる。負荷側熱交換器５４では、冷暖房用配管５７内を循環する水との間で熱交換が行われる。そして、水は温水となって冷暖房機４に送られる。熱を奪われた代替フロンは、膨張弁５２において膨張し蒸発させられ、再度、熱源側熱交換器５３に送られる。
【００２６】
このようなサイクルを繰り返すことにより、冷暖房用配管５７内を循環する水を温めて温水を生成することができる。そして、この温水を利用することによって、ビル３内の暖房を行うことができる。
【００２７】
図３（ｂ）は、ヒートポンプ５を使用して冷水を生成する過程を説明するための図である。ヒートポンプ５の構成は前述のものと同様である。ただし、代替フロンの循環のサイクルが温水を生成するためのものとは逆になっている。このように、温水を生成するときとは逆のサイクルでヒートポンプ５を運転することによって、冷暖房用配管５７内を循環する水を冷却して冷水を生成することができる。そして、この冷水を利用することによって、ビル３内の冷房を行うことができる。
【００２８】
上述のようなヒートポンプ５のサイクルを考慮すると、温水を生成する場合には、熱源側熱交換器５３における復路配管２２の水の温度がより高いことが望ましい。すると、熱媒体である循環水は、地表の空気温度よりも高い冬の地中からより効率的に採熱できることが望ましい。また、冷水を生成する場合には、熱源側の熱交換器５３における復路配管２２の水の温度はより低いことが望ましい。すると、熱媒体である循環水は、地表の空気温度よりも低い夏の地中へとより効率的に放熱することができることが望ましい。そうすると、Ｕ字形配管２内の循環水が配管周囲の物質と効率よく熱交換できるように、Ｕ字形配管２は熱伝導率の高い材質のものを使用することが望ましい。
【００２９】
従来、Ｕ字形配管は、架橋ポリエチレン製の配管が使用されていた。しかしながら架橋ポリエチレンなどの一般の樹脂の熱伝導率は、０．４（Ｗ／ｍＫ）程度と低く、効率のよい熱交換が地中内で行われなかった。このＵ字形配管を銅などの金属を使用すれば熱伝導率は高くなる。しかしながら、このような材料を使用することは、材料自体のコスト及び成型コストが架橋ポリエチレン製の配管に比してきわめて高くなるという問題があり、大学などでまれに試験的に使用されるにとどまっている。
【００３０】
図４（ａ）は、本実施形態で使用される樹脂におけるフィラーの分布を説明する図である。図の黒色で示された円形物質は、樹脂に添加された高熱伝導性の充填剤（フィラー）である。フィラーとは、機能性向上などのために、プラスチックなどに添加される粒子状の物質である。本実施形態において使用されるフィラーは、樹脂の熱伝導率を高めるために使用される熱伝導性のフィラーである。
【００３１】
本実施形態では、熱伝導性のフィラーの中でも熱伝導率が高い部類の高熱伝導性のフィラーが使用されるが、樹脂よりも熱伝導率が高い熱伝導性のフィラーであればこれに限られない。高熱伝導性のフィラーの導電タイプの例としては、アルミ粉や銅粉などが挙げられる。また、電気絶縁タイプの例としては、窒化ホウ素や窒化アルミニウム、アルミナなどが挙げられる。
【００３２】
樹脂に高熱伝導性のフィラーを複合すると、樹脂中において熱伝導率の高い物質が増えることとなる。そうすると、樹脂自体の熱伝導率が通常の樹脂よりも高くなることとなる。例えば、熱伝導性のフィラーとしてアルミニウム（Ａｌ）をポリフェニレンサルファイド（ＰＰＳ）に５０ｍｖｏｌ％で充填すると、２．６（Ｗ／ｍ・Ｋ）の熱伝導率の樹脂を得ることができる。本実施形態では、このように高熱伝導性のフィラーを複合した樹脂をＵ字形配管２に使用する。このように、高熱伝導性の樹脂をＵ字形配管２に使用することによって、配管周辺の物質に対する熱媒体の採放熱効率を高めることができる。
【００３３】
図４（ｂ）は、他の実施形態における樹脂内のフィラーの分布を説明するための図である。図では、黒色で表されたフィラー７１が、同じく黒色で表された低融点合金７２によってつながれている様子が示されている。他の実施形態におけるＵ字形配管２の樹脂は、図に示すようにフィラー同士が低融点合金を介してつながれたものが使用される。ここで使用される低融点合金は、鉛フリー半田と呼ばれるものの一種である。素材金属は、銀（Ａｇ）、ビスマス（Ｂｉ）等の特殊で高価な金属もあるが、多くは銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）、マグネシウム（Ｍｇ）、亜鉛（Ｚｎ）、錫（Ｓｎ）などのように一般的かつ安価な金属で組成される。
【００３４】
このように、高熱伝導性のフィラーのほかに低融点合金を樹脂に複合することで、樹脂内に低融点合金による熱の伝達経路を作り出すことができる。そして、樹脂自体の熱伝導率を高めることができる。よって、このような高熱伝導性の樹脂をＵ字形配管２に使用することで、配管周辺の物質に対する熱媒体の採放熱効率を高めることができる。
【００３５】
単にフィラーを複合しただけの樹脂の場合、熱伝導性の高いフィラーを多く含ませるほど樹脂自体の熱伝導率は高くなる。しかしながら、フィラーの配合割合を増やしすぎると、高温でも粘度の高い樹脂となってしまう。ここでは、低融点合金を複合してフィラー同士を結合することにより飛躍的に樹脂の熱伝導率を高めることができるため、フィラーの配合割合を高くする必要がない。そうすると、高温時における樹脂の粘度を低く保つことができるので、射出成型を行って配管を成型しやすいという利点も有する。また、比較的コストの高い高熱伝導性のフィラーの添加量を少なくすることができるので、Ｕ字形配管２の製造コストを下げることができる。また、樹脂の成型時において樹脂は高温にされるが、低融点合金は融点が低いため成型時において液体状になるという射出成型時における利点がある。
【００３６】
このように低融点合金を熱伝導性のフィラーとともに樹脂に複合した場合であっても、添加されるフィラーは高熱伝導性のものが望ましい。しかしながら、低融点合金によってフィラーがつながれることによって一般の樹脂よりも高い熱伝導率を有する高熱伝導性樹脂を実現できるのであれば、添加されるフィラーは高熱伝導性のものには限られない。
【００３７】
また、フィラー自体が樹脂内に連続体を形成した樹脂をＵ字形配管２に使用することとしてもよい。このようにフィラー自体が樹脂内に連続体を形成することで、この連続体が熱の伝達経路となり、樹脂の熱伝導率を高めることができる。樹脂内において連続体が形成されやすいフィラーとしては、カーボンファイバーなどがある。
【００３８】
このような組成の高熱伝導性の樹脂をＵ字形配管２に使用することによって、プラスチックのような樹脂の加工の自由性と低コスト性を両立させつつ、配管内の熱媒体が配管周辺の物質と効率のよい熱交換を行うことができるようになる。
【００３９】
さらなる別の実施形態では、Ｕ字形配管２の周辺に充填されるモルタルにも前述のような熱伝導性のフィラーが添加される。ここでも添加されるフィラーは高熱伝導性のものが望ましいが、モルタルの熱伝導率を高くすることができる熱伝導性のフィラーであればこれに限られない。このようにすることで、上述の樹脂と同様の理由により、モルタルの熱伝導率を高めることができ、モルタルと周辺土壌との熱交換の効率を高めることができる。
【００４０】
さらに、熱伝導性のフィラーが添加されたモルタルに低融点合金を含有させることとしてもよい。このようにすることによって、熱伝導性のフィラー間に低融点合金による熱の伝達経路が形成される。そうすると、低融点合金を介して熱伝導性フィラー間の熱が移動しやすくなる。よって、モルタルの熱伝導率をより高めることができ、モルタルと周辺土壌との熱交換の効率を高めることができる。
【００４１】
尚、このように低融点合金を熱伝導性のフィラーとともにモルタルに複合した場合であっても添加されるフィラーは高熱伝導性のものが望ましいが、フィラーは高熱伝導性のものには限られない。
【００４２】
図５は、本実施形態で使用される配管に一体成形されたフィンの形状の一例を示す図である。前述のようにしてＵ字形配管２の熱伝導率が高められる場合、この配管の周囲の物質との接触面積を大きくすることによって、配管内を通る熱媒体の配管周囲との熱交換効率が高められることが考えられる。よって、ここでは、配管にフィンを一体成形して配管の表面積を大きくしている。
【００４３】
フィン形状としては、図に示すように、キャタピラ形（図５（ａ））、螺旋形（図５（ｂ））、せん毛形（図５（ｃ））などがある。キャタピラ形は、配管の曲がり強度が高められつつも、配管の表面積が大きくされている。また、螺旋形は、配管の周辺に螺旋状にフィンが一体成形され、配管の表面積が大きくされている。また、せん毛形は、配管の周辺に糸形状のものが一体成形されているものであり、配管の表面積をより大きくすることができる。尚、フィンの形状は、上述のものに限られない。
【００４４】
これらのような形状の配管は、樹脂を射出成型することによって得ることができる。前述のように、樹脂に熱伝導性のフィラーと低融点合金を複合した場合、熱伝導性のフィラーの添加量を少なくすることができた。そうすると、高温にされた樹脂の粘度を低く保つことができるので、このような形状のフィンを配管の外表面に容易に成形することができる。
【００４５】
上述の実施形態では、Ｕ字形の配管に上述の高熱伝導性の樹脂を使用することとしたが、配管の形状はＵ字形に限られない。また、地中熱交換器１において採放熱した熱媒体の熱はヒートポンプ５において利用されたが、熱媒体の熱の利用方法はこれに限られない。また、夜間電力などで生成した熱や、コジェネレーションシステム６などの余剰廃熱を、このＵ字形配管２を通じて土壌に蓄熱することとしてもよい。この場合も、Ｕ字形配管２は熱伝導率が高いため、熱媒体を介して効率的に余剰廃熱等を土壌に蓄熱することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４６】
【図１】本実施形態における地中熱交換器を説明するための図である。
【図２】地中に埋設されるＵ字形配管を説明するための図である。
【図３】図３（ａ）は、ヒートポンプを使用して温水を生成する過程を説明するための図であり、図３（ｂ）は、ヒートポンプを使用して冷水を生成する過程を説明するための図である。
【図４】図４（ａ）は、本実施形態で使用される樹脂におけるフィラーの分布を説明する図であり、図４（ｂ）は、他の実施形態における樹脂内のフィラーの分布を説明するための図である。
【図５】本実施形態で使用される配管に一体成形されたフィンの形状の一例を示す図である。
【符号の説明】
【００４７】
１  地中熱交換器、２  Ｕ字形配管、３  ビル、４  冷暖房機、
５  ヒートポンプ、６  コジェネレーションシステム、
２１  往路配管、２２  復路配管、２３  曲り配管、２４  坑井、５１  圧縮機、
５２  膨張弁、５３  熱源側熱交換器、５４  負荷側熱交換器、５５  冷媒管路、
５７  冷暖房用配管、７１  高熱伝導性フィラー、７２  低融点合金
【図１】
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【図２】
2008256329.tif 000004
【図３】
2008256329.tif 000005
【図４】
2008256329.tif 000006
【図５】
2008256329.tif 000007