(57)【要約】【課題】掘削ロッドと熱交換用の管を兼用することで作業効率を高めた。【解決手段】少なくとも２本の管材が平行に配置された地中熱交換パイプを利用して、一方の鋼管３に高圧水を通し、この高圧水を鋼管３の下部に配置されたジェット噴出口６から、ジェット噴射させて地盤を掘削して熱交換用の熱交換井戸１を掘削する。この掘削が完了した時点で、高圧水を噴射させるためのジェット噴出口６を閉じ、かつ鋼管３とポリエチレン管４とを開閉弁１０を開いて連通させて地中熱交換用の熱交換器２とする。【選択図】　　図１
2004020017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも２本の管材が平行に配置された地中熱交換パイプを利用して、前記管材に高圧水を通し、
この高圧水を前記管材の下部に配置されたジェット噴出口から、ジェット噴射させて地盤を掘削して熱交換用の熱交換井戸を掘削し、
この掘削が完了した時点で、前記高圧水を噴射させるためのジェット噴出口を閉じ、かつ前記管材間を連通させて地中熱交換用の熱交換器とする、
ことを特徴とする熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムの設置方法。
【請求項２】
請求項１に記載の熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムの設置方法において、
前記管材の一方が鋼管であり、前記管材の他方が合成樹脂製の管である
ことを特徴とする熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムの設置方法。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムの設置方法において、
前記地中熱交換パイプの外周と地盤の間には、熱伝導度が高いグラウト材が充填されている
ことを特徴とする熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムの設置方法。
【請求項４】
少なくとも２本の平行に配置された管材と、
一方の管材の下部に配置され水をジェット噴射させるためのジェットノズルと、
前記一方の管材と他方の管材の内孔とを連通させる連通管と、
前記一方の管材と前記他方の管材の内孔との連通を遮断するための開閉弁と、
前記開閉弁を開くための開閉弁開放手段と、
前記ジェットノズルを閉鎖するためのノズル開閉手段と
からなることを特徴とする熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システム。
【請求項５】
請求項４に記載の熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムにおいて、
前記開閉弁開放手段と前記ノズル開閉手段とは、前記一方の管材の内孔に挿入されるプラグである
ことを特徴とする熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システム。
【請求項６】
請求項４に記載の熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムにおいて、
前記一方の管材が鋼管であり、前記他方の管材が合成樹脂製の管である
ことを特徴とする熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムとその設置方法に関する。更に詳しくは、ジェット掘削により熱交換井戸を掘削した掘削ロッドをそのまま地中熱交換用の熱交換器とすることを特徴とする、熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムとその設置方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
融雪、空調、温水プール、植物栽培等に使用するために、比較的浅い地下の地熱を利用する方法が古くから知られて使用されている。この地熱の利用は、地球温暖化防止のための二酸化炭素発生の削減や省エネルギーの推進に役立つものとして、政策的にもその利用が推進されている。近年は地熱を取り出すことができる熱交換器を地盤に埋め込み地熱を有効に利用するものが使用されている。
【０００３】
即ち、浅部にある数℃〜数１０℃の地中熱を利用するに当たり、地中にボーリングで孔を開け、地下水を採取して、この地下水と熱交換し、熱利用する方法と地下水を汲み上げないで、ボーリング孔内にパイプを設置し、このパイプの中に水等の熱媒体液を循環させて、地中の熱と熱交換を行う方法である。いずれの方法であっても地中にボーリングで熱交換用の井戸を掘削する必要がある。
【０００４】
一方、地下水を採取する方法は、熱効率は良いが地下水の枯渇や地盤沈下と言った社会問題を提起するため、最近は地下水を汲み上げない方式が多く採用されていく傾向にある。地下水を汲み上げないで地中熱のみを利用する場合、地下に熱交換システムを構築する必要がある。この地下に熱交換パイプを埋め込んだボーリング孔を地中熱交換井と言う。地中熱交換井を構築する場合、通常はボーリングで掘削穴である孔井を掘削し、この孔内に鋼管やポリエチレン管等を設置している（例えば、特開２００１−１７４０７３号公報）。
【０００５】
この地中熱交換井の設置方法の確立は地中熱利用の促進に弾みをつけ、省エネルギー、地球温暖化防止、炭酸ガス発生の抑制等に大いに期待されるものである。しかし、このような従来の地中熱交換井掘削法ではコストがかかり、地中熱利用システム全体の経済性評価に大きな課題となつている。
【０００６】
ボーリングマシンで孔井を掘削し、この中に熱交換用鋼管或いはポリエチレン管等を挿入設置する。この鋼管或いはポリエチレン管等の中に水或いは不凍液等の熱媒体液を循環させ、地中熱と熱交換し地中熱の利用を図っている。尚、孔井掘削に当たつてはビットとケーシングを併用し、主にボーリングマシンから回転力、ビット荷重等を得て掘削動力に利用している。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
地中熱交換井を設置する場合、多くは砂、砂礫、粘土、玉石等の未固結層が分布している。また、地下水も多く含まれる場合が多い。このような地層をボーリングで掘削し、この中に熱交換用チューブを挿入するためには、ケーシングで孔壁の崩壊を防ぎながらボーリングを行い、熱交換用チューブを設置後、ケーシングを回収する方法が一般的である。ケーシングとの併用掘削と熱交換チューブ挿入後のケーシングの回収は作業能率に大きな影響を及ぼし、地中熱交換井の設置に大きな経済的負担を強いてきた。また、ケーシングとの併用掘削のため、大きな掘削機械動力を必要とした。本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記目的を達成する。
【０００８】
本発明の目的は、掘削ロッドと熱交換用の管を兼用することで作業効率を高めた熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムとその設置方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、経済性の高い熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムとその設置方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明の熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムの設置方法は、少なくとも２本の管材が平行に配置された地中熱交換パイプを利用して、前記管材に高圧水を通し、この高圧水を前記管材の下部に配置されたジェット噴出口から、ジェット噴射させて地盤を掘削して熱交換用の熱交換井戸を掘削し、この掘削が完了した時点で、前記高圧水を噴射させるためのジェット噴出口を閉じ、かつ前記管材間を連通させて地中熱交換用の熱交換器とする、ことを特徴とする。
前記管材の一方が鋼管であり、前記管材の他方が合成樹脂製の管であると良い。前記地中熱交換パイプの外周と地盤の間には、熱伝導度が高いグラウト材が充填されていると良い。
【００１０】
本発明の熱交換井戸の掘削及び地中熱交換システムは、少なくとも２本の平行に配置された管材と、一方の管材の下部に配置され水をジェット噴射させるためのジェットノズルと、前記一方の管材と他方の管材の内孔とを連通させる連通管と、前記一方の管材と前記他方の管材の内孔との連通を遮断するための開閉弁と、前記開閉弁を開くための開閉弁開放手段と、前記ジェットノズルを閉鎖するためのノズル開閉手段とからなることを特徴とする。
前記開閉弁開放手段と前記ノズル開閉手段とは、前記一方の管材の内孔に挿入されるプラグであると良い。前記一方の管材が鋼管であり、前記他方の管材が合成樹脂製の管であると良い。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の熱交換井戸の掘削方法を図によって説明する。図１は、本発明の熱交換井戸の掘削方法の概要を示す概念図である。熱交換井戸１は、熱交換器２を埋設するための掘削井戸である。熱交換井戸１の深さは、地質、地下水の存在などによって異なるが、概略は５０〜１５０ｍ程度の深さである。熱交換器２は、鋼管３とこの中心軸線とほぼ平行に中心軸線を配置したポリエチレン管４からなる。
【００１２】
鋼管３の先端５は、円錐形を成しており、この円錐面、及びその先端にはジェットノズル６が設けてある。ジェットノズル６は、高圧の水を噴射するものであり、このエネルギーで掘削するものである。このジェットノズル６の構造、形状は周知であり、その節名は省略する。この掘削方法、及びこのための高圧ポンプ、スライム処理のための泥水処理プラント等は、公知の技術であり、その詳細な説明は省略する。
【００１３】
鋼管３の先端５より上の位置の側部は、開口７されている。この開口７には、９０度曲げられたＬ字管８の一端が溶接されている。Ｌ字管８の他端は、ポリエチレン管４の下端が接着剤、機械的継手等で接合されている。従って、ポリエチレン管４と鋼管３とは連通されている。本例では、ポリエチレン管４と鋼管３の直径は、２５．４ｍｍ〜３６．８ｍｍ（１〜１．５インチ）を使用する。連通している開口７は、ジェット掘削中は円筒状の開閉弁１０で塞がれている。鋼管３と開閉弁１０の固定はシャーピン等を使用する。ジェット掘削後は、鋼管３は熱交換器２の熱媒体液の往路として使用して熱交換機能を果たし、ポリエチレン管４は断熱性が高いので復路として使用する。
【００１４】
［掘削方法］
この状態で鋼管３にジェット水を高圧ポンプ（図示せず）により通水すると、ジェット水は鋼管３の下端のジェットノズル６から噴射される。このジェット水の噴射エネルギーは、地盤を掘削することになる。掘削されたスライムは、鋼管３及びポリエチレン管４の外周から地上にリフトされ排出される。排出されたスライムと水は、泥水処理プラント（図示せず）で処理されて処理され、水は再び使用される。泥水は、掘削された熱交換井戸１の孔壁を安定させる作用もある。
【００１５】
鋼管３の下端の掘削位置が所定深さに達すると、ジェット水の供給を停止させる。鋼管３の上部からプラグ１１を鋼管３の内孔１２に挿入する。ゴム、又は合成樹脂エラストマー製のプラグ１１と鋼管３の内孔１２とは、しまり嵌めの寸法関係にある。プラグ１１の外周は、多段に円錐形が形成されている。このために、下方に移動しやすいが、上部には抜けない難い機能を備えている。
【００１６】
プラグ１１は、水圧或いは棒材等で圧入されて、開閉弁１０の位置に達すると、開閉弁１０に係合する。プラグ１１の水圧或いは棒材等で圧力でシェアーピンが切断されて、開閉弁１０を鋼管３の内孔１２に沿って下方に移動させることになる。開閉弁１０の下端が鋼管３の先端５に達すると、開閉弁１０及びプラグ１１は停止する。
【００１７】
従って、ジェットノズル６は塞がれた状態となる。従って、鋼管３とポリエチレン管４とは、Ｕ字管を構成することになる。このＵ字管は、熱交換器２を構成することになる。鋼管３及びポリエチレン管４と地盤との間の隙間には、必要に応じて熱伝導性の高いグラウト材１５を充填する。鋼管３及びポリエチレン管４は、水或いは不凍液等の熱媒体液を循環させる往路、復路として使用される。
【００１８】
（その他の実施の形態）
図３は、熱交換器の他の実施の形態を示すものであり、熱交換器の断面図である。図４は、図３の熱交換器を分解した状態を示す断面図である。ポリエチレン管２０は、断面が円形の復路２１が形成されている。復路２１の中心軸線と平行に断面が半円形の鋼管保持孔２３が形成されている。この鋼管保持孔２３は、鋼管２４の外径より若干小径に形成されており、この鋼管保持孔２３により鋼管２４を把持するものである。
【００１９】
この両者の組立ては、地上で行う。この実施の形態の熱交換器は、掘削中の抵抗を少なくすることができる。前述した実施の形態では、鋼管３とポリエチレン管４とを用いたものであったが、掘削用の管が高圧水に耐えるものであり、かつ熱交換効率が良いものであれば他の材質であっても良い。鋼管３及びポリエチレン管４は、水或いは不凍液等の熱媒体液の往路、又は復路として使用されているが、空気、プロパン等の冷媒ガスの往路、又は復路として使用しても良い。
【００２０】
【発明の効果】
本発明は、以下のような効果を期待できる。
地中熱交換井の掘削にケーシングを必要としないため、掘削作業能率が向上する。また、熱交換チューブを挿入後にケーシングを回収する必要もないために全体の作業能率が向上し、掘削コストを低減することができる。
孔井の掘削動力として従来のような、ビット回転力やビット荷重を使用しないで、ビット先端のジェット力のみで掘削するため、全体のエネルギーロスが小さい。
掘削中に孔壁崩壊を起こし、ケーシングが回せなくなるような崩壊性地層であっても、掘削時間が短いため殆ど問題なく対応が出きる。
【図面の簡単な説明】
【図１】図１は、本発明の熱交換井戸の掘削方法の概要を示す概念図である。
【図２】図２は、熱交換井戸にグラウトを注入した状態を示す図である。
【図３】図３は、熱交換器の他の実施の形態を示すものであり、熱交換器の断面図である。
【図４】図４は、図３の熱交換器を分解した状態を示す断面図である。
【符号の説明】
１…熱交換井戸
３…鋼管
４…ポリエチレン管
６…ジェットノズル
１０…開閉弁
１１…プラグ
１５…グラウト材
【図１】
2004020017.tif 000003
【図２】
2004020017.tif 000004
【図３】
2004020017.tif 000005
【図４】
2004020017.tif 000006