(57)【要約】【課題】熱交換器のパイプのピッチずれなどが生じる恐れが無く、加工が容易であり、更に埋設時の施工も容易な高効率な熱交換器及び熱交換システム等を提供する。【解決手段】外面に溝９が螺旋状に設けられている内管３は、筒状部材である外管５内に挿入される。内管３の外径（凸部１１部の外径）と外管５の内径は、略同一であるため、内管３の凸部１１と外管５の内面が接触し、溝９と外管５の内面とで囲まれた螺旋状の流路を形成する。流路に流体を流すと、流体は溝９と外管５の内面により形成された螺旋状の流路を流れ、周囲の地熱と熱交換を行う。【選択図】図１
2008292107.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
筒状の内管と、
少なくとも一方の端部をふさがれた筒状の外管と、
を具備し、
前記外管の内面および前記内管の外面の少なくとも一方に螺旋状の溝を有し、
前記内管は前記外管の中へ挿入され、前記外管と前記内管の隙間に流体が流されることを特徴とする熱交換器。
【請求項２】
前記外管の内面は管軸方向の真直性が優れており、
前記内管の外面には螺旋状の溝を有し、
前記溝により形成される凸部が前記外管の内面と接触し、前記溝部と前記外管の内面との隙間に流体が流れることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項３】
前記内管の外面は管軸方向の真直性が優れており、
前記外管の内面には螺旋状の溝を有し、
前記溝により形成される凸部が前記内管の外面と接触し、前記溝部と前記内管の外面との隙間に流体が流れることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項４】
前記内管の外面には螺旋状の第１の溝を有し、
前記外管の内面には螺旋状の第２の溝を有し、
前記第１の溝により形成される第１の凸部と前記第２の溝により形成される第２の凸部が接触し、前記第１の溝と前記第２の溝の隙間に流体が流れることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項５】
前記内管及び前記外管の少なくとも一方が樹脂製であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項６】
前記内管及び前記外管は、伸縮性のない材質であることを特徴とする請求項１記載の熱交換器。
【請求項７】
筒状の内管と、
少なくとも一方の端部をふさがれた筒状の外管と、
を具備し、
前記外管の内面および前記内管の外面の少なくとも一方に螺旋状の溝を有し、前記内管は前記外管の中へ挿入され、前記外管と前記内管の隙間に流体が流される熱交換器を地中に埋設し、前記隙間内を流れる流体が地熱と熱交換を行うことを特徴とする熱交換システム。
【請求項８】
熱交換を終えた前記流体を構造物に流し、前記流体の熱を構造物に利用することを特徴とする請求項６に記載の熱交換システム。
【請求項９】
熱交換を終えた前記流体の熱を熱機器の予熱に利用することを特徴とする請求項６に記載の熱交換システム。
【請求項１０】
地面を掘削して穴を設ける工程と、
筒状の内管と、少なくとも一方の端部をふさがれた筒状の外管とを具備し、前記外管の内面および前記内管の外面の少なくとも一方に螺旋状の溝を有し、予め前記内管が挿入された外管を前記穴に設置する工程と、
前記穴を埋め戻す工程と、
を具備することを特徴とする熱交換システムの施工方法
【請求項１１】
地面を掘削して穴を設ける工程と、
筒状の内管と、少なくとも一方の端部をふさがれた筒状の外管とを具備し、前記外管の内面および前記内管の外面の少なくとも一方に螺旋状の溝を有し、前記外管を前記穴に設置した後さらに内管を外管に挿入する工程と、
前記穴を埋め戻す工程と、
を具備することを特徴とする熱交換システムの施工方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中熱又は送電線の発熱を利用し、埋設方法および製造方法が簡単であり、かつ、長寿命、低コストである熱交換器及び熱交換システム等に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地球温暖化などの環境問題が注目されている中、クリーンかつ安全な熱エネルギーとして地中熱の利用が進められている。地中熱は、一年にわたり約１５〜１６℃程度で一定であるため、夏の冷房や、冬の暖房の熱源として活用されている。
【０００３】
地熱を利用した熱交換システムとしては、（１）地中に水平方向にパイプを屈曲させて埋設し、パイプ内を循環する流体と地熱との熱交換を行う水平ループ式や、（２）構造物の建設時において、基礎杭の施工と同時に先端をＵ字に曲げたパイプを埋設し、パイプ内を循環する流体と地熱との熱交換を行う方法がある。
【０００４】
また、（３）地中に螺旋状にコイルを埋設し、地熱との熱交換を行う熱交換器（特許文献１）や、（４）鋼管杭に熱交換用パイプを螺旋状に巻きつけて、地熱との熱交換を行う地熱利用鋼管杭（特許文献２）がある。
【特許文献１】特開２００７−１０２７５号公報
【特許文献２】特開２００５−１８８８６６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、水平方向にパイプを埋設する（１）の方法では、広範囲にわたってパイプ埋設用の穴を掘削しなければならないため、コスト及び工数を要し、また、埋設するための範囲が広くなるという問題がある。また、基礎杭の施工時に先端をＵ字に曲げたパイプを埋設する（２）の方法では、パイプと地面との接触面積を大きく取ることができず効率が悪いという問題がある。更に、パイプの設置が困難で、専用の部品を使用しなければならないという問題がある。図１１は、基礎杭施工時にパイプを設置した状態を示す図であり、図１１（ａ）は、掘削孔に鉄筋籠４３とパイプ４７を設置した状態、図１１（ｂ）はＵ字曲げ部品の拡大図である。図１１（ａ）に示すように、鉄筋籠４３設置後に掘削孔へパイプ４７が挿入され、パイプ４７内にポンプ４１で流体を循環させると、地熱と熱交換が行われ、地熱を利用することができる。
【０００６】
しかし、パイプ４７をＵ字に曲げると、パイプ４７がつぶれてしまう恐れがある。また、パイプ４７を挿入する隙間が狭く、掘削孔の下端まで挿入するのは困難である。よって、このような方法では、図１１（ｂ）に示す、Ｕ字曲げ部品４５を使用しなければならない。すなわち、パイプをつぶすことなく曲げることができ、また、錘の役目を果たすＵ字曲げ部品４５を使用しなければ、基礎杭に熱交換パイプ４７を設置することが困難であると言う問題がある。
【０００７】
また、（３）の特許文献１による熱交換器は、パイプを螺旋状にしたため、埋設エリアは比較的狭くでき、また、パイプと地面との接触面積も比較的広く取れるため設計上の熱交換効率は良いが、パイプを螺旋状の形状に加工することが困難であるという問題がある。また、埋設時にも形状を維持するためには、金属パイプ等のある程度の強度を有する材料を選択しなければならずコストが高いという問題がある。更に、加工、設置、埋設各工程において、螺旋状パイプのピッチが変形等により変化し、設計通りの熱交換効率を得ることができないという問題がある。特に、螺旋形状のピッチが変形等で変わりパイプ同士の接触による熱交換効率の低下を防ぐため、パイプ間のピッチを詰めることができないため、単位長さあたりの熱交換効率が低いという問題がある。
【０００８】
また、（４）の特許文献２による熱交換用パイプを螺旋状に巻きつけた地熱利用鋼管杭は、パイプを螺旋状に巻いた状態で鋼管杭を地面にねじ込むものであるが、特許文献１による熱交換器と同様に、埋設作業中に螺旋状パイプのピッチが土圧やパイプの変形などにより変化し、設計通りの熱交換効率を得ることができず、パイプ同士の接触の恐れがあるため、パイプのピッチを詰めることができず、単位長さ辺りの熱交換効率が低いという問題がある。
【０００９】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、熱交換器のパイプのピッチずれなどが生じる恐れが無く、加工が容易であり、更に埋設時の施工も容易で高効率な熱交換器及び熱交換システム等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】
【００１０】
前述した目的を達成するため、第１の発明は、筒状の内管と、少なくとも一方の端部をふさがれた筒状の外管と、を具備し、前記外管の内面および前記内管の外面の少なくとも一方に螺旋状の溝を有し、前記内管は前記外管の中へ挿入され、前記外管と前記内管の隙間に流体が流されることを特徴とする熱交換器である。
【００１１】
前記外管の内面は管軸方向の真直性が優れており、前記内管の外面には螺旋状の溝を有し、前記溝により形成される凸部が前記外管の内面と接触し、前記溝部と前記外管の内面との隙間に流体が流れていてもよい。
【００１２】
前記内管の外面は管軸方向の真直性が優れており、前記外管の内面には螺旋状の溝を有し、前記溝により形成される凸部が前記内管の外面と接触し、前記溝部と前記内管の外面との隙間に流体が流れていてもよい。
【００１３】
前記内管の外面には螺旋状の第１の溝を有し、前記外管の内面には螺旋状の第２の溝を有し、前記第１の溝により形成される第１の凸部と前記第２の溝により形成される第２の凸部が接触し、前記第１の溝と前記第２の溝の隙間に流体が流れていてもよい。
【００１４】
前記内管及び前記外管の少なくとも一方が樹脂製であってもよく、前記内管及び前記外管は、伸縮性のない材質であることが望ましい。
【００１５】
第１の発明によれば、内管を外管に挿入するため構造が簡易で加工しやすく、また、内管及び外管の少なくとも一方に螺旋状の溝を有するため、螺旋溝を利用して簡易に流体の流通路形成することができ、また、埋設時に溝のピッチずれを生じず、設計が容易かつ低コストで長寿命な熱交換器を提供することができる。
【００１６】
第２の発明は、筒状の内管と、少なくとも一方の端部をふさがれた筒状の外管と、を具備し、前記外管の内面および前記内管の外面の少なくとも一方に螺旋状の溝を有し、前記内管は前記外管の中へ挿入され、前記外管と前記内管の隙間に流体が流される熱交換器を地中に埋設し、前記隙間内を流れる流体が地熱と熱交換を行うことを特徴とする熱交換システムである。
【００１７】
熱交換を終えた前記流体を構造物に流し、前記流体の熱を構造物に利用してもよく、熱交換を終えた前記流体の熱を熱機器の予熱に利用してもよい。構造物としては、例えば、家の床下、道路下、ビニルハウス及び温水プール下等があり、熱機器としては例えば湯沸かし器等がある。
【００１８】
第２の発明によれば、流体を流れる螺旋溝が簡易に形成され、加工時、運搬時、埋設時等に溝のピッチが変化することが無く、しかも一方の端部をふさがれた筒状の外管に内管を挿入することで、両者の隙間に流体が流れる熱交換器が構成できることから、熱設計や製造が容易であり、安定した熱交換効率を得ることができ、溝を流れる流体が、周囲の地熱と効率よく熱交換を行うことができる熱交換システムを提供することができる。
【００１９】
第３の発明は、地面を掘削して穴を設ける工程と、筒状の内管と、少なくとも一方の端部をふさがれた筒状の外管とを具備し、前記外管の内面および前記内管の外面の少なくとも一方に螺旋状の溝を有し、予め前記内管が挿入された外管を前記穴に設置する工程と、前記穴を埋め戻す工程と、を具備することを特徴とする熱交換システムの施工方法である。前記予め前記内管が挿入された外管を前記穴に設置する工程に代えて、前記外管を前記穴に設置した後さらに内管を外管に挿入する工程を具備してもよい。
【００２０】
第３の発明によれば、外管を埋設する穴を掘削すればよいため、埋設工数を削減でき、予め工場等で内管が外管に挿入されている場合には、現場での作業は、継手を接続した熱交換器を埋設するだけで良いことから、設置時に流体の流れる溝のピッチずれが生じず、施工が容易であり、また、場合によっては、予め前記内管が挿入された外管を前記穴に設置する場合より、少し施工性は劣るものの、最初に外管のみを埋設してさらに、後から内管を挿入することによって、容易に熱交換システムを実現できる。熱交換器の加工を予め工場等で行うか現場にて行うかは、設置する熱交換器や作業現場等により使い分けることができる。さらには、現場においても内管の抜き差し作業が容易であるため、メンテナンス性や交換作業性に優れた熱交換システムの施工方法を提供することができる。
【発明の効果】
【００２１】
本発明によれば、熱交換器のパイプのピッチずれなどが生じる恐れが無く、熱交換器の加工が容易であり、更に埋設時の施工も容易な高効率な熱交換器及び熱交換システム等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】
【００２２】
以下、本発明の実施の形態を詳細に説明する。図１は、本実施の形態にかかる熱交換器１の外観を示す斜視図であり、図２は、熱交換器1の断面図である。
【００２３】
熱交換器１は、主に、内管３、外管５、蓋７、入側パイプ１３、出側パイプ１５より構成される。外管５は筒状部材であり、内面は凹凸がなく管軸方向に真直性が優れており、一方の端部は蓋７により塞がれている。内管３は、外面に溝９が螺旋状に設けられており、溝９と溝９の間には凸部１１が形成されている。
【００２４】
内管３は外管５内に挿入される。内管３の外径（凸部１１部の外径）と外管５の内径は、略同一であるため、内管３の凸部１１と外管５の内面が接触し、溝９と外管５の内面とで囲まれた隙間は、螺旋状の流路を形成する。内管３の一方の端部は、入側パイプ１３と、内部を流れる流体が漏れないように接続されている。出側パイプ１５は内管３の溝９の一方の端部から、溝９を流れる流体が漏れないように、外管５の端部と接続されている。入側パイプ１３、出側パイプ１５のもう一方の端部にはそれぞれ継手６が設けられ、ポンプ等と接続される。なお、入側パイプ１３、出側パイプ１５と外管５は、内部の流体が漏れないように接続されており、例えばパッキンの使用やロウ付けなどの方法で処理される。
【００２５】
図２において、入側パイプ１３に矢印Ａ方向より流体を流すと、流体は、筒状の内管３内部を通過し（矢印Ｂ方向）、内管３の端部より外管５内に流出する（矢印Ｃ方向）。流出した流体は、溝９と外管５の内面の隙間に形成された螺旋状の流路を流れる（矢印Ｄ方向）。流体が溝９の端部まで流れると、溝９と接続されている出側パイプ１５へ流出する（矢印Ｅ方向）。ここで、流体は、熱伝導および、熱拡散の効果が強い乱流となるように流すことが望ましい。乱流とすることで、流体の熱交換器内における滞留時間が長くなり、より効率良く熱交換を行うことができる。なお、流体の流れる方向については、この逆の方向であっても構わない。また、冷房時、暖房時に流れる方向を変えることもできる。
【００２６】
なお、内管３、外管５、入側パイプ１３、出側パイプ１５のサイズは使用場所等によっても変わるが、例えば、外管５の内径は３０〜８０ｍｍで、らせん状の溝を有する内管３が外管に挿入可能な内管の最大外径は、外管の内径より内管の最大外径がわずかに小さければよく、両者のクリアランスは外管に内管が挿入できる範囲でできるだけ小さくする必要がある。外管５の内径３０ｍｍであれば、内管の最大外径は、３０ｍｍより少し小さい寸法となる。入側パイプ１３、出側パイプ１５は内径５〜１３ｍｍ程度のものが使用できる。
ここで、内管３の先端は、スペーサーなどを挿入することにより、外管の蓋７に密着させずに所定の隙間を設けるか、あるいは両者を密着させるが、両者の端部に流体の出口として、切欠きを設けることが望ましい。
【００２７】
また、外管５の材質は特定しないが、例えば樹脂製、鋼製、アルミニウム製、銅製などが使用できる。また、内管３の材質は特定しないが、例えば金属製、樹脂製で良く、好ましくは伸縮性のないポリエチレン製で、特に高密度ポリエチレンが望ましい。また、入側パイプ１３および出側パイプ１５の材質は特定しないが、例えば銅、アルミニウム、架橋ポリエチレン等が使用できる。
【００２８】
ここで、継手６の構造は特定しないが、通常住宅の給排水用に使用する公知の継手をそのまま使用することができるが、それと同等の機能を有するものであれば、いかなるを構造のものでも用いることができる。通常は、ゴムパッキンと抜け止めリングなどを組み合わせた構造のものが多い。例えば継手６の本体の材質は、青銅等の金属製やポリエチレン等の合成樹脂製の継手が使用できる。
【００２９】
流体は合成樹脂管や金属管の特性の劣化をともなわないものであればいかなるものでも使用できるが、例えば水や不凍液を加えた水、アルコール等の有機溶媒を希釈したものが使用できる。
【００３０】
次に、本発明にかかる熱交換器１の埋設施工方法について説明する。図３は、熱交換器１を埋設する工程を示した図である。まず、図３（ａ）に示すように、設置場所の地面１７に、所定深さの掘削孔１９を掘削する。掘削孔１９の深さは地熱を利用するためには例えば３ｍ以上が望ましい。図３では、熱交換器１個の場合を示したが、実際は、複数個設置することにより熱交換器の容量を大きくしやすいことから熱交換器は複数個設置する場合が多い。熱交換器を所定間隔で複数個設置する場合は、複数列、複数段の配列が可能である。通常設置スペースを取らないことから、熱交換器を地中に縦方向に埋め込むのが望ましいが、横方向に埋め込むこともできる。
【００３１】
次に、図３（ｂ）に示すように、掘削孔１９に熱交換器１を挿入する。次に、図３（ｃ）に示すように、熱交換器１を埋め戻して施工が終了し、流体を流すことで周囲の地熱と熱交換を行うことができる。なお、熱交換器１は、予め工場等で内管３及び外管５の加工をすることができるため、現地での加工や調整等の作業は不要である。
【００３２】
次に、熱交換器１を用いた熱交換システム５０について説明する。図４は、熱交換器１を利用した熱交換システム５０の概略図である。熱交換器１は地面１７に埋設されている。熱交換器１に配される入側パイプ１３、出側パイプ１５は、地上に設けられたポンプ２１に接続される。ポンプ２１は、熱交換器１内に水等の流体を循環する。熱交換器１内を循環する流体は、地中にて地熱との熱交換を行う。
【００３３】
ポンプ２１はまた、熱交換を終えた流体を床２５下に配置されたパイプ２３に流す。地熱は、１年を通じてほぼ同一の温度で推移し、夏は外気温に対して冷たく、冬は外気温に対して暖かいため、地熱と熱交換を行った流体を床２５下に流すことで、床２５の冷暖房を行うことができる。
【００３４】
なお、熱交換器１は、１個設けることも可能であるが、複数設けることもでき、通常は熱交換器４０の性能を向上させるため、複数個設けることが多い。本発明の熱交換器は、コンパクト化でき複数個設置してもそれほど場所を取らないので、比較的狭い敷地にも施工できる。
【００３５】
また、熱交換器１への流体の循環と、床２５下のパイプ２３への流体の循環は、入側パイプ１３及び出側パイプ１５とパイプ２３の入側と出側をそれぞれ接続することで１系統とし、ポンプ２１の１台で循環を行っても良く、また、入側パイプ１３及び出側パイプ１５と、パイプ２３それぞれを別の系統として、別々のポンプを使用して循環させても良い。この場合、更に、ヒートポンプ等を使用しても良い。
【００３６】
以上説明したように、本実施の形態にかかる熱交換器１によれば、簡易に高効率の熱交換を行うことができる。熱交換器１は、外管５に内管３を挿入した構造であるため低コストであり、内管３に樹脂を用いれば長寿命の熱交換器を得ることができる。また、熱交換器１のメンテナンスや交換を行う際にも、外管５から内管３を引抜くだけで分解が完了するため、メンテナンス性や交換作業性に優れる熱交換器を得ることができる。
【００３７】
また、簡易に流体の流路である螺旋形状の溝９を形成することができ、施工時等に螺旋状の溝９のピッチが変化することがない。特に、内管３として伸縮性のない材質を用いれば、挿入作業が容易であり、内管３を外管５へ挿入する際にも溝９のピッチずれが起こらないため、当初設計通りの性能を得ることができ、設計、製造やメンテナンス、交換作業が容易である。
【００３８】
また、螺旋状の溝９のピッチは確実に保たれ、溝９同士が接触することがないため、溝９のピッチを狭くすることができ、単位長さ辺りの熱交換効率を高めることができる。また、溝９は外管の内部に形成されるため、溝９が損傷することもない。
【００３９】
また、熱交換器１の埋設には、あらかじめ工場等で加工した熱交換器１を埋設するための十分な大きさの穴を掘削すればよいため、それ以上の大きさの穴を掘削する必要がなく、必要以上に深い穴を掘削する必要もなく、複数の熱交換器をあらかじめ決めた間隔で複数個設置することができるため、挿入が容易で、熱交換器の埋設工数が削減できる。
【００４０】
このように、熱交換器１を利用した熱交換システム５０によれば、地中との熱交換を行った流体を床２５下に流すことで、夏は床の冷却、冬は床の暖房を効率よく行うことができ、簡易で省エネルギーである床下冷暖房システムを得ることができる。
【００４１】
次に第２の実施の形態にかかる熱交換器３０について説明する。ここで、本実施の形態において、熱交換器１と同一の機能を奏する構成要素については図１、図２と同一の記号を付し、重複した説明を避ける。
【００４２】
図５は、熱交換器３０の断面図である。熱交換器３０は、主に、内管３、外管５、蓋７、入側パイプ１３、出側パイプ１５より構成される。外管５は筒状部材であり、一方の端部は蓋７により塞がれている。また、外管５の内面には溝９が螺旋状に設けられており、溝９と溝９の間には外管５の中心方向に凸部１１が形成されている。内管３は筒状部材であり、その外面には凹凸がなく管軸方向に真直性が優れている。
【００４３】
内管３は外管５内に挿入される。内管３の外径と外管５の内径（凸部１１部の内径）は、略同一であるため、外管５の凸部１１と内管３の外面が接触し、溝９と内管３の外面とで囲まれた隙間は、螺旋状の流路を形成する。内管３の一方の端部は、入側パイプ１３と、内部を流れる流体が漏れないように接続されている。出側パイプ１５は外管５の溝９の一方の端部から、溝９を流れる流体が漏れないように、外管５の端部と接続されている。入側パイプ１３、出側パイプ１５のもう一方の端部にはそれぞれ継手６が設けられ、ポンプ等と接続される。
【００４４】
図５において、入側パイプ１３に矢印Ａ方向より流体を流すと、流体は、筒状の内管３内部を通過し（矢印Ｂ方向）、内管３の端部より外管５内に流出する（矢印Ｃ方向）。流出した流体は、溝９と内管３の外面の隙間に形成された螺旋状の流路を流れる（矢印Ｄ方向）。流体が溝９の端部まで流れると、溝９と接続されている出側パイプ１５へ流出する（矢印Ｅ方向）。なお、流体の流れる方向については、この逆の方向であっても構わない。また、冷房時、暖房時に流れる方向を変えることもできる。
【００４５】
なお、内管３、外管５、入側パイプ１３、出側パイプ１５のサイズは使用場所等によっても変わるが、例えば、らせん状の溝を有する外管５は内管３が挿入可能な径として、外管のらせん状の溝の最小内径が３０〜８０ｍｍのとき、内管３の外径は対応する外管の内径よりわずかに小さければ良く、両者のクリアランスは外管に内管が挿入できる範囲でできるだけ小さくする必要がある。入側パイプ１３、出側パイプ１５は内径５〜１３ｍｍ程度のものを使用するのが望ましい。外管５の最小内径が３０ｍｍであれば、内管の外径は３０ｍｍより少し小さければ良い。
ここで、内管３の先端は、スペーサーなどを挿入することにより、外管の蓋７に密着させずに所定の隙間を設けるか、あるいは両者を密着させるが、両者の端部に流体の出口として、切欠きを設けることが望ましい。
【００４６】
また、内管３の材質は特定しないが、例えば樹脂製、鋼製、アルミニウム製、銅製などが使用できる。また、外管５の材質は特定しないが、例えば金属製または、樹脂製で良く、好ましくは伸縮性のないポリエチレン製である。また、入側パイプ１３および出側パイプ１５の材質は特定しないが、例えば銅、アルミニウム、架橋ポリエチレン等が使用できる。
【００４７】
ここで、継手６の構造は特定しないが、通常住宅の給排水用に使用する公知の継手をそのまま使用することができるが、それと同等の機能を有するものであれば、いかなるを構造のものでも用いることができる。通常は、ゴムパッキンと抜け止めリングなどを組み合わせた構造のものが多い。例えば継手６の本体の材質は、青銅等の金属製やポリエチレン等の合成樹脂製の継手が使用できる。また、流体は合成樹脂管や金属管の特性の劣化をともなわないものであればいかなるものでも使用できるが、例えば水や不凍液を加えた水、アルコール等の有機溶媒を希釈したものが使用できる。
【００４８】
本実施の形態にかかる熱交換器３０によれば、熱交換器１と同様の効果を得ることができる。すなわち、製造、設計が容易で、メンテナンス性に優れ、低コスト、長寿命かつ高効率な熱交換器を得ることができる。
【００４９】
また、熱交換器３０は外管５に溝９を有するため、熱交換を行う周囲の地熱との接触面積を大きくすることができ、より効率の高い熱交換器を得ることができる。
【００５０】
次に第３の実施の形態にかかる熱交換器４０について説明する。図６は、熱交換器４０の断面図である。熱交換器４０は、主に、内管３、外管５、蓋７、入側パイプ１３、出側パイプ１５より構成される。内管３は筒状部材であり、内管３の外面には溝９ａが螺旋状に設けられており、溝９ａと溝９ａの間には凸部１１ａが形成されている。また、外管５は筒状部材であり、一方の端部は蓋７により塞がれている。また、外管５の内面には溝９ｂが螺旋状に設けられており、溝９ｂと溝９ｂの間には外管５の中心方向に凸部１１ｂが形成されている。なお、内管３の螺旋状の溝９ａと、外管５の螺旋状の溝９ｂとの螺旋ピッチは略同一である。
【００５１】
内管３は外管５内に挿入される。内管３の外径（凸部１１ａ部の外径）と外管５の内径（凸部１１ｂ部の内径）は、略同一であるため、内管３の凸部１１ａと外管５の凸部１１ｂとが接触し、内管３の溝９ａと外管５の溝９ｂとで囲まれた隙間は、螺旋状の流路を形成する。内管３の一方の端部は、入側パイプ１３と、内部を流れる流体が漏れないように接続されている。出側パイプ１５は外管５の溝９の一方の端部から、溝９を流れる流体が漏れないように、外管５の端部と接続されている。入側パイプ１３、出側パイプ１５のもう一方の端部にはそれぞれ継手６が設けられ、ポンプ等と接続される。
【００５２】
図６において、入側パイプ１３に矢印Ａ方向より流体を流すと、流体は、筒状の内管３内部を通過し（矢印Ｂ方向）、内管３の端部より外管５内に流出する（矢印Ｃ方向）。流出した流体は、溝９と内管３の外面の隙間に形成された螺旋状の流路を流れる（矢印Ｄ方向）。流体が溝９の端部まで流れると、溝９と接続されている出側パイプ１５へ流出する（矢印Ｅ方向）。なお、流体の流れる方向については、この逆の方向であっても構わない。また、冷房時、暖房時に流れる方向を変えることもできる。
【００５３】
なお、内管３、外管５、入側パイプ１３、出側パイプ１５のサイズは使用場所等によっても変わるが、例えば、らせん状の溝を有する外管５にらせん状の溝を有する内管３が挿入可能な径として、らせん状の溝を有する外管の最小内径が３０〜８０ｍｍのとき、らせん状の溝を有する内管３の外径は対応する外管の内径よりわずかに小さければ良く、両者のクリアランスは外管に内管が挿入できる範囲でできるだけ小さくする必要がある。入側パイプ１３、出側パイプ１５は内径５〜１３ｍｍ程度のものを使用するのが望ましい。外管５の最小内径が３０ｍｍであれば、内管の最大外径は３０ｍｍより少し小さければ良い。
また、ここで、らせん状の溝を有する外管と内管のピッチは、前述のように略同一である。ここで、内管３の先端は、スペーサーなどを挿入することにより、外管の蓋７に密着させずに所定の隙間を設けるか、あるいは両者を密着させるが、両者の端部に流体の出口として、切欠きを設けることが望ましい。
【００５４】
また、内管３、外管５の材質は特定しないが、例えば金属製又は樹脂製で良く、金属製の場合には、鋼製、アルミニウム製、銅製などを用いることができ、好ましくは伸縮性のないポリエチレン製である。また、入側パイプ１３および出側パイプ１５の材質は特定しないが、例えば銅、アルミニウム、架橋ポリエチレン等が使用できる。
【００５５】
ここで、継手６の構造は特定しないが、通常住宅の給排水用に使用する公知の継手をそのまま使用することができるが、それと同等の機能を有するものであれば、いかなるを構造のものでも用いることができる。通常は、ゴムパッキンと抜け止めリングなどを組み合わせた構造のものが多い。例えば継手６の本体の材質は、青銅等の金属製やポリエチレン等の合成樹脂製の継手が使用できる。また、流体は合成樹脂管や金属管の特性の劣化をともなわないものであればいかなるものでも使用できるが、例えば水や不凍液を加えた水、アルコール等の有機溶媒を希釈したものが使用できる。
【００５６】
本実施の形態にかかる熱交換器４０によれば、熱交換器１と同様の効果を得ることができる。すなわち、製造、設計が容易で、メンテナンス性に優れ、低コスト、長寿命かつ高効率な熱交換器を得ることができる。
【００５７】
また、熱交換器４０は内管３及び外管５にそれぞれ溝９ａ、９ｂを有するため、熱交換を行う周囲の熱媒体との接触面積を大きくすることができ、また、流路の断面積を大きくすることができるため、より多くの流体を低い流路抵抗で流すことができるため、より効率の高い熱交換器を得ることができる。
【００５８】
次に、熱交換器４０を用いた熱交換システム６０〜９０について説明する。本発明の応用としては、道路、ビニルハウス、温水プール等の構造体への熱の供給システムへの応用と給湯システムへの応用が考えられる。熱交換システム６０では道路、熱交換システム７０はビニルハウス、熱交換システム９０は温水プールへの応用例を示し、熱交換システム８０は給湯システムへの応用例を示す。
【００５９】
〔道路上の融雪等を目的とした熱交換システム〕
図７は、熱交換器４０を利用した、道路上の融雪等を目的とした熱交換システム６０の概略図である。熱交換器４０は地面１７に埋設されている。熱交換器４０に配される入側パイプ１３、出側パイプ１５は、地上に設けられたポンプ２１に接続される。ポンプ２１は、熱交換器４０内に水等の流体を循環する。熱交換器４０内を循環する流体は、地中にて地熱との熱交換を行う。ここで、熱交換システム６０においては、熱交換器４０が１個の場合を示したが、実際は、複数個設置することにより熱交換器の容量を大きくしやすいことから熱交換器は複数個設置する場合が多い。熱交換器を所定間隔で複数個設置する場合は、複数列、複数段の配列が可能である。通常設置スペースを取らないことから、熱交換器を地中に縦方向に埋め込むのが望ましいが、横方向や斜めに埋め込むこともできる。後述の熱交換システム７０から熱交換システム９０までの場合においても、熱交換器の個数と配列、埋設方向などは、熱交換システム６０の場合と同様な設計が可能である。
【００６０】
ポンプ２１はまた、水平方向に屈曲され、道路等の地面１７下に埋設されているパイプ２３と接続されており、熱交換を終えた流体をパイプ２３に流すことができる。地熱は、１年を通じてほぼ同一の温度で推移し、冬は外気温に対して暖かいため、地面１７下に流体を流すことで、道路上の積雪の融雪や、道路の凍結を防止することができる。
【００６１】
なお、パイプ２３の材質は特定しないが、例えば鋼管、アルミニウム管、架橋ポリエチレン管が使用できる。また、熱交換器４０は、１個設けることも可能であるが、複数設けることもでき、通常は熱交換器４０の性能を向上させるため、複数個設けることが多い。本発明の熱交換器は、コンパクト化でき複数個設置してもそれほど場所を取らないので、比較的狭い敷地にも施工できる。
【００６２】
また、熱交換器４０への流体の循環と、地面１７下のパイプ２３への流体の循環は、入側パイプ１３及び出側パイプ１５とパイプ２３の入側と出側をそれぞれ接続することで１系統とし、ポンプ２１の１台で循環を行っても良く、また、入側パイプ１３及び出側パイプ１５と、パイプ２３それぞれを別の系統として、別々のポンプを使用して循環させても良い。この場合、更に、ヒートポンプ等を使用しても良い。
【００６３】
以上説明したように、本実施の形態にかかる熱交換器４０を用いた熱交換システム６０によれば、熱交換器１による効果と同様の効果を得ることができ、簡易に高効率の熱交換システムを得ることができる。
【００６４】
また、熱交換システム６０によれば、熱交換を終えた流体を道路下に流すことができるので、道路上の融雪や凍結防止を効率よく行うことができ、小型で簡易かつ省エネルギーである道路の融雪システムを得ることができる。
【００６５】
〔ビニルハウスの温調を目的とした熱交換システム〕
次に、熱交換器４０を用いた熱交換システム７０について説明する。なお、以下の熱交換システムの説明において、熱交換システム６０と同一の機能を果たす構成要素には、図７と同一の番号を付し、重複した説明を避ける。
【００６６】
図８は、熱交換器４０を利用した、ビニルハウスの温調を目的とした熱交換システム７０の概略図である。熱交換器４０は地面１７に埋設されている。熱交換器４０に配される入側パイプ１３、出側パイプ１５は、地上に設けられたポンプ２１に接続される。ポンプ２１は、熱交換器４０内に水等の流体を循環する。熱交換器４０内を循環する流体は、地中にて地熱との熱交換を行う。
【００６７】
ポンプ２１はまた、ビニルハウス３５内に屈曲して設けられるパイプ２３と接続されており、熱交換を終えた流体をパイプ２３に流すことができる。地熱は、１年を通じてほぼ一定の温度で推移するため、地熱との熱交換を行った流体をビニルハウス３５内に流すことで、ビニルハウス３５内の温調を行うことができる。
【００６８】
このように、本実施の形態にかかる熱交換器４０を用いた熱交換システム７０によれば、熱交換器１による効果と同様の効果を得ることができ、簡易に高効率の熱交換システムを得ることができる。
【００６９】
また、熱交換システム７０によれば、熱交換を終えた流体をビニルハウス３５内に流すことができるので、ビニルハウス３５の温調を効率よく行うことができ、小型で簡易かつ省エネルギーであるビニルハウス温調システムを得ることができる。
【００７０】
〔湯沸かし器の給湯予熱を目的とした熱交換システム〕
次に、熱交換器４０を用いた熱交換システム８０について説明する。図９は、熱交換器４０を利用した、湯沸かし器の給湯予熱を目的とした熱交換システム８０の概略図である。熱交換器４０は地面１７に埋設されている。熱交換器４０に配される入側パイプ１３、出側パイプ１５は、地上に設けられたポンプ２１に接続される。ポンプ２１は、熱交換器４０内に水等の流体を循環する。熱交換器４０内を循環する流体は、地中にて地熱との熱交換を行う。
【００７１】
ポンプ２１はまた、熱機器である湯沸かし器３７に接続さているパイプ２３と接続されており、熱交換を終えた流体をパイプ２３に流すことができる。よって、地熱との熱交換を行った流体を湯沸かし器３７内に流すことで、湯沸かし器３７における給湯の予熱を行うことができる。
【００７２】
このように、本実施の形態にかかる熱交換器４０を用いた熱交換システム８０によれば、熱交換器１による効果と同様の効果を得ることができ、簡易に高効率の熱交換システムを得ることができる。
【００７３】
また、熱交換システム８０によれば、地熱と熱交換を行った流体を湯沸かし器３７内に流すことができるので、湯沸かし器３７において給湯の予熱を効率よく行うことができ、小型で簡易かつ省エネルギーである湯沸かし器給湯予熱システムを得ることができる。
【００７４】
〔温水プールの保温を目的とした熱交換システム〕
次に、熱交換器４０を用いた熱交換システム９０について説明する。図１０は、熱交換器４０を利用した、温水プールの保温を目的とした熱交換システム９０の概略図である。熱交換器４０は地面１７に埋設されている。熱交換器４０に配される入側パイプ１３、出側パイプ１５は、地上に設けられたポンプ２１に接続される。ポンプ２１は、熱交換器４０内に水等の流体を循環する。熱交換器４０内を循環する流体は、地中にて地熱との熱交換を行う。
【００７５】
ポンプ２１はまた、パイプ２３と接続されており、パイプ２３は図示しないフィルターを介して、温水プール３９に接続されている。ポンプ２１は、熱交換を終えた流体をパイプ２３に流すことができるので、温水プール３９の保温を行うことができる。
【００７６】
なお、温水プール３９と熱交換器４０の間で流体を循環させても良く、または常に新たな流体を熱交換器４０に流し、熱交換を終えた流体を温水プール３９に随時補充するようにしてもよい。
【００７７】
このように、本実施の形態にかかる熱交換器４０を用いた熱交換システム９０によれば、熱交換器１による効果と同様の効果を得ることができ、簡易に高効率の熱交換システムを得ることができる。
【００７８】
また、熱交換システム９０によれば、地熱と熱交換を行った流体を温水プール３９下に流すことができるので、温水プール３９の保温を効率よく行うことができ、小型で簡易かつ省エネルギーである温水プール保温システムを得ることができる。
【００７９】
以上、添付図を参照しながら、本発明の実施の形態を説明したが、本発明の技術的範囲は、前述した実施の形態に左右されない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された技術的思想の範疇内において各種の変更例または修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。
【００８０】
例えば、実施例においては、熱交換１、熱交換器４０は縦向きに埋設したが、横向きに埋設しても良い。また、熱交換システム５０〜９０においては、熱交換器１、３０、４０のいずれを使用しても良い。また、熱交換システム９０においては、パイプ２３を温水プール３９下に水平方向に屈曲させて、熱交換を終えた流体をパイプ２３に流すことで温水プール３９の保温を行っても良い。
【図面の簡単な説明】
【００８１】
【図１】本実施の形態にかかる熱交換器１の外観を示す斜視図。
【図２】熱交換器１を示す断面図。
【図３】本実施の形態に係る熱交換器１を埋設する施工手順を示す図。
【図４】熱交換器１を用い、床下冷暖房を目的とした熱交換システム５０を示す概略図。
【図５】第２の実施の形態にかかる熱交換器３０を示す断面図。
【図６】第３の実施の形態にかかる熱交換器４０を示す断面図。
【図７】熱交換器４０を用い、道路の融雪を目的とした熱交換システム６０を示す概略図。
【図８】熱交換器４０を用い、ビニルハウス３５の温調を目的とした熱交換システム７０を示す概略図。
【図９】熱交換器４０を用い、湯沸かし器３７の給湯の余熱を目的とした熱交換システム８０を示す概略図。
【図１０】熱交換器４０を用い、温水プール３９の保温を目的とした熱交換システム９０を示す概略図。
【図１１】従来の基礎杭中にパイプ４７によって熱交換を行う熱交換システムを示す概略図であり、（ａ）は熱交換システムの断面図、（ｂ）はパイプ曲げ部品の拡大図。
【符号の説明】
【００８２】
１、３０、４０………熱交換器
３………内管
５………外管
６………継手
７………蓋
９………溝
１１………凸部
１３………入側パイプ
１５………出側パイプ
１７………地面
１９………掘削孔
２１………ポンプ
２３………パイプ
２５………床
３５………ビニルハウス
３７………湯沸かし器
３９………温水プール
４１………ポンプ
４３………鉄筋籠
４５………パイプ曲げ部品
４７………パイプ
５０、６０、７０、８０、９０………熱交換システム
【図１】
2008292107.tif 000003
【図２】
2008292107.tif 000004
【図３】
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【図４】
2008292107.tif 000006
【図５】
2008292107.tif 000007
【図６】
2008292107.tif 000008
【図７】
2008292107.tif 000009
【図８】
2008292107.tif 000010
【図９】
2008292107.tif 000011
【図１０】
2008292107.tif 000012
【図１１】
2008292107.tif 000013