(57)【要約】【課題】  地中熱交換器の全長を短くすることができ、設置コストを大幅に低減することができるようにする。【解決手段】  地中に埋設された外管（１）と外管内に外管との間に隙間（８）を設けて内設された内管（５）との２重管からなり、この隙間と内管内とが内部で連通し熱媒体が隙間と内管内とを逆方向に流れて地上設備との間を循環する地中熱交換器において、外管の内径に対する内管の外径の比を０．７０以上０．９５以下とする。あるいは、外管の内周面及び又は内管の外周面の表面粗さＲa を１０μｍ以上１ｍｍ以下とする。突起を外管の内周面上及び又は内管の外周面上に軸方向に間隔を設けて連続的に配設する。外管と内管との間に熱媒体を流通可能に架設された孔空き部材を、隙間内に軸方向に間隔を設けて連続的に配設する。【選択図】        図１
2004309124.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設された外管（１）と前記外管内に前記外管との間に隙間（８）を設けて内設された内管（５）との２重管からなり、前記隙間と前記内管内とが内部で連通し熱媒体が前記隙間と前記内管内とを逆方向に流れて地上設備との間を循環する地中熱交換器において、前記外管の内径（Ｄ1 ）に対する前記内管の外径（Ｄ2 ）の比を０．７０以上０．９５以下としたことを特徴とする地中熱交換器。
【請求項２】
地中に埋設された外管（１１）と前記外管内に前記外管との間に隙間（１８）を設けて内設された内管（１５）との２重管からなり、前記隙間と前記内管内とが内部で連通し熱媒体が前記隙間と前記内管内とを逆方向に流れて地上設備との間を循環する地中熱交換器において、前記外管の内周面及び又は前記内管の外周面の表面粗さＲa を１０μｍ以上１ｍｍ以下としたことを特徴とする地中熱交換器。
【請求項３】
地中に埋設された外管（２１）と前記外管内に前記外管との間に隙間（２８）を設けて内設された内管（２５）との２重管からなり、前記隙間と前記内管内とが内部で連通し熱媒体が前記隙間と前記内管内とを逆方向に流れて地上設備との間を循環する地中熱交換器において、突起（２９）を前記外管の内周面上及び又は前記内管の外周面上に軸方向に間隔（Ｌ1 ）を設けて連続的に配設したことを特徴とする地中熱交換器。
【請求項４】
前記突起（２９）を前記外管（２１）の内周面上及び又は前記内管（２５）の外周面上に周方向に略等間隔に複数個を配設したことを特徴とする請求項３に記載の地中熱交換器。
【請求項５】
地中に埋設された外管（３１）と前記外管内に前記外管との間に隙間（３８）を設けて内設された内管（３５）との２重管からなり、前記隙間と前記内管内とが内部で連通し熱媒体が前記隙間と前記内管内とを逆方向に流れて地上設備との間を循環する地中熱交換器において、前記外管と前記内管との間に前記熱媒体を流通可能に架設された孔空き部材（３９，４９）を前記隙間内に軸方向に間隔（Ｌ2 ，Ｌ3 ）を設けて連続的に配設したこと特徴とする地中熱交換器。
【請求項６】
前記孔空き部材は、ネット（３９）、金網、孔空き板（４９）のいずれかからなることを特徴とする請求項５に記載の地中熱交換器。
【請求項７】
前記外管（１１，２１，３１）の内径に対する前記内管（１５，２５，３５）の外径の比を０．７０以上０．９５以下としたことを特徴とする請求項２ないし６のいずれか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、地熱を効率的に採取することができる地中熱交換器に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中は、温度が年間を通じてほぼ一定であるため、夏季には地上の熱を地中に放出し、冬季には地熱を吸収して地上で利用することができる。地中熱の利用形態は、地中熱をそのまま採取して冷暖房等に用いるものや、外気が地中よりも高温になる夏季に地上で採取した温熱を地中に蓄熱し、外気が地中よりも低温になる冬季にそれを地中から採取して暖房や融雪等に利用するものなどがある。
【０００３】
ここで、垂直式の地中熱交換器は、地中に縦孔を掘削し、この縦孔内に鋼管や樹脂管等からなる管材を挿入し、縦孔とこの管材との間隙にグラウト材や土砂を充填した構造とするのが一般的である。この管材を用いるものにも種々の方式があるが、例えば同軸式と呼ばれるものは、外管とその外管内に配設された内管の同軸２重管により構成される。従来の２重管は、外管の内径に対する内管の外径の比が０．５〜０．６であり、外管及び内管の流路表面の中心線平均粗さＲa が１μｍ程度のものが使用されている。
【０００４】
地上から供給された不凍液等の熱媒体は、外管と内管との隙間を通って、地下深くまで地中との間で熱交換を行いながら下降する。そして、最下部で反転し、内管内を通って地上に戻る。あるいは、その逆の経路をとるものもある。地上では、地中熱交換器から排出された熱媒体が、融雪器等の熱交換装置に接続される。熱交換装置で熱交換を終えて排出された熱媒体は、再び地中熱交換器へ戻される。（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
このように、地中熱は環境汚染のないクリーンなエネルギであり、また天然資源をそのまま利用するものであるから極めて経済的であるという利点がある一方、地中熱交換器を埋設するためには、深さ３０〜２００ｍにも達する縦孔を地中に掘削しなければならず、設置コストが極めて高いという欠点がある。この問題を解決するためには、地中熱交換器の採熱効率を上げて、地中熱交換器の全長を短くすることが肝要となる。
【０００６】
同軸２重管からなる地中熱交換器の採熱効率を上げるものとして、外管の外周面上と内管の外周面上とにフィンを軸方向に延設したものがある（例えば、特許文献２参照）。外管の外周面上のフィンの目的は、外管の採熱効率の向上と外管の強度増加である一方、内管の外周面のフィンは、主として外管に対する内管の支持固定を目的とするものであるが、外管と内管との隙間を流れる熱媒体の攪拌も行い、熱交換器の性能を向上させるとしている。
【特許文献１】特開昭５４−５２３４９号公報
【特許文献２】特開２００２−１３８２８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述のように、地中熱交換器の設置コストを低減させるためには、地中熱交換器の採熱効率を上げて、地中熱交換器の全長を短くすることが必要となる。上記特許文献２に開示された地中熱交換器において、外管の外周面上のフィンは、地中と外管との接触面積を大きくするから、地中からの採熱効率を向上させるという点については一定の効果がある。
【０００８】
一方、内管の外周面のフィンにより、外管と内管との隙間を流れる熱媒体が外管から効率的に採熱できるようにするためには、後に詳述するように、熱媒体の流れを高乱流化させることが必要である。しかしながら、上記特許文献２に開示された地中熱交換器の内管の外周面のフィンは、内管のほぼ全長にわたり延設されている。したがって、このフィンにより、熱媒体のレイノルズ数はフィンの端部で一旦は大きくなり、熱媒体の流れは乱流化するが、その後は延設されたフィンに沿って流れるため層流化する傾向にあり、熱媒体の熱伝達係数も下ってしまうという問題がある。
【０００９】
また、内管を外管に支持固定するために、フィンが内管と外管との隙間のほぼ全幅について半径方向に延び、かつ、それが内管のほぼ全長にわたり延設されているから、熱媒体の周方向の移動が制限され、攪拌されにくい構造となっている。したがって、上記特許文献２に開示された、フィンを内管の外周面上に軸方向に延設した従来の地中熱交換器は、外管と内管との隙間を流れる熱媒体の熱伝達係数を上げるという点においては、必ずしも充分なものとはなっていないという問題がある。
【００１０】
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、外管と内管との隙間を流れる熱媒体を高乱流化させてその熱伝達係数を大きくし、これにより地中熱交換器の全長を短くすることができ、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を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上述の課題を解決するために、本発明が採用する第１の手段は、地中に埋設された外管と外管内に外管との間に隙間を設けて内設された内管との２重管からなり、隙間と内管内とが内部で連通し熱媒体が隙間と内管内とを逆方向に流れて循環する地中熱交換器において、外管の内径に対する内管の外径の比を０．７０以上０．９５以下としたことにある。
【００１２】
外管と内管との隙間を流れる熱媒体が外管から効率的に採熱するためには、熱媒体の熱伝達係数を大きくすればよい。また、この熱伝達係数を大きくすることは、熱媒体のレイノルズ数を大きくすることにより達成することができる。後に詳述するが、外管の内径に対する内管の外径比を大きくすると、外管と内管との隙間を流れる熱媒体のレイノルズ数が大きくなり、熱伝達係数も大きくなる。
【００１３】
この結果、外管と内管との隙間を流れる熱媒体が外管から採取する総熱量が多くなり、地中熱交換器内を流れる熱媒体全体の採熱量が増加する。なお、外管の内径に対する内管の外径の比が０．７０未満の場合には、熱伝達係数を充分に大きくすることができず、また０．９５を超える場合には、熱媒体の流路が狭まり循環に支障をきたすようになる。
【００１４】
本発明が採用する第２の手段は、地中に埋設された外管と外管内に外管との間に隙間を設けて内設された内管との２重管からなり、隙間と内管内とが内部で連通し熱媒体が隙間と内管内とを逆方向に流れて循環する地中熱交換器において、外管の内周面及び又は内管の外周面の表面粗さＲa を１０μｍ以上１ｍｍ以下としたことにある。
【００１５】
本発明が採用する第３の手段は、地中に埋設された外管と外管内に外管との間に隙間を設けて内設された内管との２重管からなり、隙間と内管内とが内部で連通し熱媒体が隙間と内管内とを逆方向に流れて循環する地中熱交換器において、突起を外管の内周面上及び又は内管の外周面上に軸方向に間隔を設けて連続的に配設したことにある。この突起を内周面上及び又は内管の外周面上に周方向に略等間隔に複数個を配設することもできる。
【００１６】
本発明が採用する第４の手段は、地中に埋設された外管と外管内に外管との間に隙間を設けて内設された内管との２重管からなり、隙間と内管内とが内部で連通し熱媒体が隙間と内管内とを逆方向に流れて循環する地中熱交換器において、外管と内管との間に熱媒体を流通可能に架設された孔空き部材を隙間内へ軸方向に間隔を設けて連続的に配設したことにある。例えば、この孔空き部材は、ネット、金網、孔空き板のいずれかからなる。
【００１７】
流体の流れは、一旦強制高乱流化しても、その後は層流化する傾向がある。しかしながら、上記のように、外管の内周面及び又は内管の外周面の表面粗さＲa を１０μｍ以上１ｍｍ以下としたことにより、又は、突起を外管の内周面上及び又は内管の外周面上に軸方向に間隔を設けて連続的に配設したことにより、又は、外管と内管との間に熱媒体を流通可能に架設された孔空き部材を隙間内へ軸方向に間隔を設けて連続的に配設したことにより、外管と内管との隙間を流れる熱媒体の流れを、繰り返し強制高乱流化させることができる。これにより、外管と内管との隙間を流れる熱媒体の見かけのレイノルズ数が高く維持され、熱伝達係数も高く保たれる。ただし、上記表面粗さＲa については、それが１０μｍ未満の場合には熱伝達係数を充分に大きくすることができず、また、１ｍｍを超える場合には熱媒体の流れの圧力損失が過大となる。
【００１８】
また、孔空き部材は、既存の外管及び内管をそのまま用いて追加的に取り付けることができ、製作コストの削減を図ることができる。さらに、孔空き部材は、外管に対し内管を支持するための支持部材（セントラライザ）を兼ねることもでき、この場合には、設置コストの増加を最少限に抑えることができる。上記第２ないし第４のいずれかの手段において、外管の内径に対する内管の外径比を０．７０以上０．９５以下とすることもできる。上記それぞれの作用が相乗されて、より効率的に熱媒体が外管から地熱を採取することができるようになる。
【発明の効果】
【００１９】
以上詳細に説明したように、本発明の地中熱交換器は、地中に埋設された外管と外管内に外管との間に隙間を設けて内設された内管との２重管からなり、隙間と内管内とが内部で連通し熱媒体が隙間と内管内とを逆方向に流れて循環する地中熱交換器において、外管の内径に対する内管の外径の比を０．７０以上０．９５以下とする。
【００２０】
又は、地中に埋設された外管と外管内に外管との間に隙間を設けて内設された内管との２重管からなり、隙間と内管内とが内部で連通し熱媒体が隙間と内管内とを逆方向に流れて循環する地中熱交換器において、外管の内周面及び又は内管の外周面の表面粗さＲa を１０μｍ以上１ｍｍ以下とする。
【００２１】
又は、地中に埋設された外管と外管内に外管との間に隙間を設けて内設された内管との２重管からなり、隙間と内管内とが内部で連通し熱媒体が隙間と内管内とを逆方向に流れて循環する地中熱交換器において、突起を外管の内周面上及び又は内管の外周面上に軸方向に間隔を設けて連続的に配設する。
【００２２】
又は、地中に埋設された外管と外管内に外管との間に隙間を設けて内設された内管との２重管からなり、隙間と内管内とが内部で連通し熱媒体が隙間と内管内とを逆方向に流れて循環する地中熱交換器において、外管と内管との間に熱媒体を流通可能に架設された孔空き部材を隙間内へ軸方向に間隔を設けて連続的に配設する。
【００２３】
したがって、本発明の地中熱交換器は、外管と内管との隙間を流れる熱媒体を高乱流化させてその熱伝達係数を大きくするから、地中熱交換器の全長を短くすることができ、設置コストを大幅に削減することができるという優れた効果を奏する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
本発明に係る地中熱交換器の第１の発明の実施の形態を、図１及び図２を参照して詳細に説明する。
【００２５】
図１に示すように、本地中熱交換器は同軸式であり、外管１とその外管１内に配設された内管５の２重管からなる。外管１及び内管５にはステンレス管、ポリエチレン管等が使用され、外管１はねじ込みソケット２により、また内管５は差し込みソケット６によりそれぞれの単管が連続する。内管５は外管１に対し、一定間隔で取り付けられた図示しない支持部材により、外管１の中央部に支持される。外管１の最下部にはキャップ３が取り付けられ、また外管１と内管５との隙間８と、内管５内とを連通させるスペーサ４が配設される。
【００２６】
外管１は地中に掘削した縦孔５１内に設置される。縦孔５１と外管１との間にはセメントグラウト５２が充填され、縦孔５１の上部には砕石５３が投入される。循環パイプ５４が外管１と内管５との隙間８に連結され、循環パイプ５５が内管５に連結される。循環パイプ５４，５５は、図示しない融雪器等の地上の熱交換装置（地上設備）に接続される。図示しないポンプにより、不凍液等の熱媒体が循環パイプ５４から外管１と内管５との隙間８内へ供給され、この熱媒体は外管１と内管５との隙間８を通って、地中との間で熱交換を行いながら地下深くまで下降する。
【００２７】
熱媒体は最下部のスペーサ４を通って反転し、内管５内を上昇して再び地上に戻る。内管５から循環パイプ５５へ排出され、地上の熱交換装置に送られて熱交換を行なう。熱交換を終えて地上の熱交換装置から排出された熱媒体は、循環パイプ５４を通して地中熱交換器の外管１と内管５との隙間８へ戻される。あるいはこれとは逆に、熱媒体が内管５内を下降し、最下部のスペーサ４を通って反転し、外管１と内管５との隙間８を通って上昇して地上に戻るようにすることもできる。このように、地中熱交換器と地上の熱交換装置との間で熱媒体を循環させて、最終的に地中と地上との間で熱の交換を行う。
【００２８】
図２に示すように、外管の内径Ｄ1 に対する内管の外径Ｄ2 の比（Ｄ2 ／Ｄ1 ）を０．７０以上０．９５以下とする。外管１と内管５との隙間８を流れる熱媒体が外管１から効率的に採熱するためには、熱媒体の熱伝達係数を大きくする必要がある。この熱伝達係数を大きくすることは、熱媒体のレイノルズ数を大きくすることにより達成することができる。ここで、レイノルズ数Ｒe は次式より与えられる。
【００２９】
Ｒe ＝｛ｕ（流速）・ｄ（代表長さ）｝／ν（動粘性係数）・・・（１）
上記（１）式において、外管１の内径Ｄ1 に対する内管５の外径Ｄ2 の比を大きくすると、ｄはその比に逆比例して小さくなる一方、ｕはその比の２乗に正比例して大きくなる。したがって、νに大きな変化がなければ、外管１の内径Ｄ1 に対する内管５の外径Ｄ2 の比を大きくすることにより、外管１と内管５との隙間８を流れる熱媒体のレイノルズ数が大きくなり、熱伝達係数も大きくなる。この結果、外管１と内管５との隙間を流れる熱媒体が外管１から採取する総熱量が多くなり、地中熱交換器内を流れる熱媒体全体の採熱量が増加する。
【００３０】
ここで、外管１の内径Ｄ1 に対する内管５の外径Ｄ2 の比が０．７０未満の場合には、熱伝達係数を充分に大きくすることができず、また０．９５を超える場合は、外管１と内管５との隙間８が狭くなり、熱媒体の循環に支障をきたすようになる。また、この外管１の内径Ｄ1 に対する内管５の外径Ｄ2 の比は、０．８０以上０．９５以下とすることが望ましい。このように、本地中熱交換器によれば、熱媒体が外管１から効率的に地熱を採取することができるようになる。したがって、地中熱交換器の全長を短くすることができ、設置コストを大幅に削減することができる。
【００３１】
次に、本発明に係る地中熱交換器の第２の発明の実施の形態を、図３（ａ）及び図３（ｂ）を参照して説明する。
【００３２】
図３（ａ）及び図３（ｂ）に示すように、本地中熱交換器は、地中に埋設された外管１１と、外管１１内に外管１１との間に隙間１８を設けて内設された内管１５との２重管からなる。隙間１８と内管１５内とが内部で連通し、熱媒体が隙間１８と内管１５内とを逆方向に流れる。この外管１１の内周面と内管１５の外周面の表面粗さＲa を１０μｍ以上１ｍｍ以下とする。この場合、外管１１の内周面と内管１５の外周面とに表面粗さを高めるための加工を施してもよいし、表面粗さが上記のようになる材料を用いて外管１１及び内管１５を形成してもよい。
【００３３】
流体の流れは、一旦強制高乱流化してもその後レイノルズ数は次第に減少し、それが一定値以下になると層流に復する。しかしながら、外管１１の内周面と内管１５の外周面の表面粗さＲa を１０μｍ以上としたことにより、外管１１と内管１５との隙間１８を流れる熱媒体の流れを繰り返し強制高乱流化することができる。これにより、外管１１と内管１５との隙間１８を流れる熱媒体の見かけのレイノルズ数が高く維持され、熱伝達係数も高く保たれる。ただし、表面粗さＲa が１ｍｍを超えると、熱媒体の流れの圧力損失が過大となる。
【００３４】
このように、本地中熱交換器によれば、熱媒体が外管１１から効率的に地熱を採取することができるようになる。したがって、地中熱交換器の全長を短くすることができ、設置コストを大幅に削減することができる。なお、外管１１の内周面又は内管１５の外周面のいずれか一方の表面粗さＲa だけを、１０μｍ以上１ｍｍ以下としてもよい。また、外管１１の内周面及び又は内管１５の外周面の表面粗さＲa は、１００μｍ以上１ｍｍ以下とすることが望ましい。
【００３５】
次に、本発明に係る地中熱交換器の第３の発明の実施の形態を、図４ないし図６を参照して説明する。
【００３６】
図４に示すように、本地中熱交換器は、地中に埋設された外管２１と、外管２１内に外管２１との間に隙間２８を設けて内設された内管２５との２重管からなる。隙間２８と内管２５内とが内部で連通し、熱媒体が隙間２８と内管２５内とを逆方向に流れる。
【００３７】
この内管２５の外周面上に、突起２９を軸方向に所定間隔Ｌ1 を設けて連続的に配設する。突起２９は、例えば、周方向に略等間隔に８個が配設される。また、同時に外管２１の内周面上にも、あるいは、内管２５の外周面上又は外管２１の内周面上のいずれか一方についてだけ、突起２９と同様の突起を軸方向に所定間隔を設けて連続的に配設することもでき、また、それを周方向に略等間隔に複数個を配設することもできる。なお、この突起の形状は、図４に示すものに限定されるものではなく、種々の形状が考えられる。例えば、内管の外周面や外管の内周面から突出するように配設された大型の部材も、この突起に含まれる。
【００３８】
図５に示すように、外管３１と内管３５との間に熱媒体を流通可能に架設されたネット（孔空き部材）３９を隙間３８内へ、軸方向に所定間隔Ｌ2 を設けて連続的に配設することもできる。ネット３９のほか、同様に網目状に形成された金網（孔空き部材）等を用いることもできる。また、図６に示すように、外管４１と内管４５との間に熱媒体を流通可能に架設された孔空き板（孔空き部材）４９を隙間４８内へ、軸方向に所定間隔Ｌ3 を設けて連続的に配設することもできる。孔空き板４９の孔４９ａは、外管４１と内管４５との間を流れる熱媒体に対して過度な流体抵抗、又は絞りとならないように、例えば、周方向に略等間隔に配設された６個の大孔から形成される。
【００３９】
いずれの場合も、外管２１，３１，４１と内管２５，３５，４５との隙間２８，３８，４８を流れる熱媒体の流れを繰り返し強制高乱流化することができ、上記と同様の理由により、熱媒体が外管２１，３１，４１から地熱を効率的に採取することができる。なお、外管と内管との間に架設する孔空き部材は、必ずしも上述のネット３９、金網、孔空き板４９に限定されるものではない。また、内管の外周面や外管の内周面を利用して孔を形成するような部材も、この孔空き部材に含まれる。
【００４０】
上記所定間隔Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 は、例えば、熱媒体の種類、突起２９の大きさや形状、ネット３９、金網等の網目の大きさ、孔空き板４９の孔４９ａの大きさ、外管２１，３１，４１の内径、内管２５，３５，４５の外径等に基づいてそれぞれ設定されるが、このＬ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3 は等間隔とすることも、不等間隔とすることもできる。ただし、熱媒体の流れを繰り返し高乱流化できることが必要である。このように、本地中熱交換器によれば、熱媒体が外管２１，３１，４１から効率的に地熱を採取することができる。したがって、地中熱交換器の全長を短くすることができ、設置コストを大幅に削減することができる。
【００４１】
特に、上述のネット３９、金網等や孔空き板４９は、既存の外管及び内管をそのまま用いて追加的に取り付けることができ、製作コストの削減を図ることができる。また、孔空き板４９は、外管４１に対し内管４５を支持するための図示しない支持部材（セントラライザ）を兼ねることもでき、この場合には、設置コストの増加を最少限に抑えることができる。
【００４２】
なお、上記第２及び第３の発明の実施の形態における、外管１１，２１，３１，４１の内径に対する内管１５，２５，３５，４５の外径の比を０．７０以上０．９５以下、望ましくは０．８０以上０．９５以下とすることもできる。上記作用が相乗されて、より効率的に熱媒体が地熱を外管から採取することができるようになる。また、上述の表面粗さの増大、突起の取付け、ネットや金網や孔空き板の取付けを、任意に組み合わせて実施することもできる。この表面粗さの増大、突起の取付け、ネットや金網や孔空き板の取付けは、図３ないし図６に拘わらず、必ずしも外管や内管の周方向の３６０°について実施しなくてもよい。
【００４３】
さらに、上述の外管と内管とからなる２重管は、必ずしも同軸式に限定されるものではなく、また、外管と内管の横断面形状も、図２ないし図６に拘わらず、必ずしも真円形に限定されるものではない。他の断面形状の外管や内管については、断面の平均内径や平均外径により、上述の外管の内径に対する内管の外径の比が決定される。
【実施例１】
【００４４】
上述の第１の発明の実施の形態の地中熱交換器をモデル化して行った、採熱試験について説明する。地中熱交換器の外管の内径を一定とし、内管の外径を様々に変化させたときの、外管と内管との隙間における熱媒体の単位長さ当たりの温度低下（°Ｃ／ｍ）を求めた。ここで、単位長さ当たりの温度低下が大きいことは、熱媒体の熱伝達係数が大きいことを意味する。
【００４５】
（試験条件）
熱媒体                    水
入口温度                  ４５°Ｃ
流量                      ２０リットル／分
設置環境                  約１６°Ｃの地層中
熱交換器
外管及び内管の材質      塩化ビニール管
長さ                    １５０ｍ
外管の内径Ｄ1 （一定）  ８６ｍｍ
外管の肉厚              ７ｍｍ
内管の外径Ｄ2 （変動）  １６〜７６ｍｍ
内管の肉厚              ３ｍｍ
【００４６】
試験結果は、図７に示すとおりであり、外管の内径に対する内管の外径の比が大きくなる程、外管と内管との隙間における単位長さ当たりの温度低下が大きくなることが判明した。したがって、外管の内径に対する内管の外径の比を０．７０以上０．９５以下とすることにより、望ましくは０．８０  以上０．９５以下とすることにより、熱媒体は大きな熱伝達係数を有するようになり、地中熱交換器の採熱効率が向上する。
【実施例２】
【００４７】
上述の第３の発明の実施の形態の、図６に示す孔空き板４９を有する地中熱交換器について行った、実証試験について説明する。
【００４８】
図８に示すように、孔空き板４９を所定間隔を設けて連続的に挿入した本発明に係る地中熱交換器４０と、この孔空き板を有しない従来の外管６１と内管６５とからなる地中熱交換器６０とを、それぞれ地中３０ｍの深さに埋設した。地中熱交換器４０の外管４１及び内管４５と、地中熱交換器６０の外管６１及び内管６５とを、それぞれ開閉バルブ７１，７２，７３，７４を介して、バッファータンク７５に並列に接続した。バッファータンク７５の戻りライン７６に温度センサ７８、循環ポンプ８０、流量計８１を、また、バッファータンク７５の供給ライン７７に温度センサ７９をそれぞれ介装し、バッファータンク７５にヒートポンプ８２を接続した。
【００４９】
これにより、開閉バルブ７１，７２と開閉バルブ７３，７４とを切り替えることにより、地中熱交換器４０及び地中熱交換器６０に熱媒体をそれぞれ独立に循環できるようにし、また、バッファータンク７５内の熱媒体は、ヒートポンプ８２によって常時４５°Ｃに保持されるようにした。
【００５０】
（試験条件）
循環熱媒体                水道水
入口温度                  ４５°Ｃ
流量                      ２０リットル／分
設置環境                  約１６°Ｃの地層中
熱交換器
外管及び内管の材質      塩化ビニール管（外管：ＶＰ１００，内管：ＶＰ２５）
長さ                    ３０ｍ
孔空き板
挿入間隔                １ｍ
材質                    プラスチック
外径                    ９５ｍｍ
内径                    ３４ｍｍ
板厚                    １．５ｍｍ
孔径                    ２５ｍｍ
孔数                    ６
計測時間                  １器あたり約２４時間
【００５１】
本発明に係る地中熱交換器４０、及び従来の地中熱交換器６０について行った採熱試験結果を表１に示す。表１には、循環熱媒体の出入り温度と流量とから求めた採熱量、及び従来の地中熱交換器６０を基準とした採熱効率が示される。
【００５２】
（表１）
採熱量（Ｗ）      採熱効率
本発明に係る地中熱交換器：    −３５８２        １０５
従来の地中熱交換器：          −３４２６        １００
【００５３】
表１より、孔空き板４９を有する本発明に係る地中熱交換器４０は、孔空き板４９を有しない従来の地中熱交換器６０に比し、採熱効率が約５％向上することが判明した。なお、本採熱試験で用いた外管材質は塩化ビニール管であったが、これに代えて、熱伝導率が高いステンレス管等を用いた場合には、採熱効率はさらに向上するものと推定される。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明に係る地中熱交換器を示す縦断面図である。
【図２】第１の発明の実施の形態の地中熱交換器を示す横端面図である。
【図３（ａ）】第２の発明の実施の形態の地中熱交換器の内管を示す簡略図である。
【図３（ｂ）】図３（ａ）の地中熱交換器の外管を示す簡略図である。
【図４】第３の発明の実施の形態の地中熱交換器を示す簡略図である。
【図５】図４とは別の地中熱交換器を示す簡略図である。
【図６】図４とはさらに別の地中熱交換器を示す簡略図である。
【図７】実施例１の採熱試験結果を示すグラフである。
【図８】実施例２の採熱試験装置を示す簡略図である。
【符号の説明】
【００５５】
１  外管
２  ねじ込みソケット
３  キャップ
４  スペーサ
５  内管
６  差し込みソケット
８  隙間
１１  外管
１５  内管
１８  隙間
２１  外管
２５  内管
２８  隙間
２９  突起
３１  外管
３５  内管
３８  隙間
３９  ネット
４０  地中熱交換器
４１  外管
４５  内管
４８  隙間
４９  孔空き板材
４９ａ  孔
５１  縦孔
５２  セメントグラウト
５３  砕石
５４，５５  循環パイプ
６０  地中熱交換器
６１  外管
６５  内管
７１，７２，７３，７４  開閉バルブ
７５  バッファータンク
７６  戻りライン
７７  供給ライン
７８，７９  温度センサ
８０  循環ポンプ
８１  流量計
８２  ヒートポンプ
Ｄ1   外管内径
Ｄ2   内管外径
Ｌ1 ，Ｌ2 ，Ｌ3   所定間隔
Ｒa   表面粗さ
Ｒe   レイノルズ数
【図１】
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【図２】
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【図３（ａ）】
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【図３（ｂ）】
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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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【図８】
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