(57)【要約】【課題】従来方式の地中熱交換器と比べて著しく工程が短縮でき、建設コストを大幅に抑制できる地中熱交換器とそれを利用した高効率エネルギーシステムを提供する。【解決手段】下端部に回転羽根２が取り付けられた中空管体１に回転力と下向きの力を付加して回転圧入することで前記中空管体１が埋設され、前記中空管体１内の下端部または中間部には底蓋３が設けられて前記中空管体１の内部が密閉されており、前記中空管体１の内部空間を利用して構築されたことを特徴とする地中熱交換器とそれを利用した高効率エネルギーシステムである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
下端部に回転羽根が取り付けられた中空管体に回転力と下向きの力を付加して回転圧入し、埋設された前記中空管体の内部空間を利用して構築したことを特徴とする地中熱交換器。
【請求項２】
中空管体が鋼管で形成されており、前記中空管体が建物を支持する基礎杭としての回転圧入鋼管杭を兼用する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】
回転羽根が螺旋状羽根であって、回転羽根の始端切断面と終端切断面との開き角度が１０度から９０度に設定されてい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。
【請求項４】
中空管体の管内径以下の直径に設定された開端穴が回転羽根の中心部に設けら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１項に記載の地中熱交換器。
【請求項５】
中空管体内の下端部または中間部に底蓋が設けられて前記中空管体の内部が密閉されていることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項６】
予め底蓋が内部に固着されている中空管体が回転圧入で埋設されていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項７】
内部に予め取り付けられた底蓋または底蓋より下側の中空管体側壁部に圧力逃がし穴が開口されていることを特徴とする請求項６に記載の地中熱交換器。
【請求項８】
内周の底蓋形成位置に予め突起物が取り付けられた中空管体が回転圧入で埋設され、前記中空管体に内接する落し蓋を前記中空管体の埋設・据付後に前記中空管体内部に投下し、前記中空管体の内周と前記落し蓋とが固着されて底蓋が形成されてなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項９】
内周の底蓋形成位置に予め突起物が取り付けられた中空管体が回転圧入で埋設され、前記中空管体の埋設・据付後に中空管体内の底蓋形成位置に経時性硬化材を充填して底蓋が形成されてなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項１０】
内周の底蓋形成位置に予め突起物が取り付けられた中空管体が回転圧入で埋設され、前記中空管体に内接する落し蓋を前記中空管体の埋設・据付後に前記中空管体内部に投下し、前記落し蓋の上側に経時性硬化材を充填して底蓋が形成されてなることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項１１】
中空管体の内面および外面の少なくとも一方が、防食被覆されていることを特徴とする請求項１から請求項１０のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項１２】
中空管体の外面に熱交換を促進させるフィンを取り付けたことを特徴とする請求項１から請求項１１のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項１３】
送水管および還水管の少なくとも一方が中空管体の内側に設置されて前記中空管体内部には熱媒が循環可能であって、周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されたことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項１４】
中空管体の内径よりも小径であって、その先端および頂部が閉塞されてなる外管と、前記外管の内側に配置されて、先端部近傍で外管外部と連通してなる内管とで構成され、かつ前記外管および前記内管の間には空気または断熱材を密封して断熱層が形成された内挿二重管が中空管体の内側に設置され、前記内挿二重管の内管を送水管および還水管のいずれか一方として利用し、前記中空管体と前記内挿二重管との間に送水管および還水管の他方を設置することで熱媒が循環可能であって、周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されたことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項１５】
中空管体の内径よりも小径でかつ先端が閉塞されている内挿管が前記中空管体の内側に配置され、前記中空管体と前記内挿管との間隙には水またはモルタル、グラウト等の充填材が充填されており、送水管および還水管の少なくとも一方が前記内挿管の内側に設置されて前記内挿管内部には熱媒が循環可能であって、周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されたことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項１６】
熱媒を循環可能なＵ字形内挿管が中空管体の内側に１組以上挿入され、前記中空管体と前記Ｕ字形内挿管との間隙には水またはモルタル、グラウト等の充填材が充填されており、周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されたことを特徴とする請求項１から請求項１２のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項１７】
複数の中空管体を継ぎ足して構成された地中熱交換器であって、先端部の羽根付中空管体には、中空管体の内径よりも小径であって、その先端が閉塞されてなる外管と、前記外管の内側に配置されて、先端部近傍で外管外部と連通してなる内管とからなる内挿二重管が配置されており、前記羽根付中空管体を所定位置まで回転圧入した後に、継手によって前記外管および前記内管を各々接続延長し、前記羽根付中空管体と継ぎ足し中空管体とを必要本数だけ順次接続することで必要長さを確保した上で、前記外管および前記内管の間に空気または断熱材を密封して断熱層を形成したことを特徴とする請求項１４に記載の地中熱交換器。
【請求項１８】
複数の中空管体を継ぎ足して構成された地中熱交換器であって、先端部の羽根付中空管体には、前記羽根付中空管体の内径よりも小径でかつ先端が閉塞されている内挿管が配置されており、前記羽根付中空管体を所定位置まで回転圧入した後に、継手によって内挿管を延長した上で前記羽根付中空管体と継ぎ足し中空管体とを必要本数だけ順次接続することで必要長さを確保したことを特徴とする請求項１５に記載の地中熱交換器。
【請求項１９】
複数の中空管体を継ぎ足して構成された地中熱交換器であって、先端部の羽根付中空管体には、Ｕ字形内挿管が１組以上挿入されており、前記羽根付中空管体を所定位置まで回転圧入した後に、継手によって各内挿管を延長した上で前記羽根付中空管体と継ぎ足し中空管体とを必要本数だけ順次接続することで必要長さを確保したことを特徴とする請求項１６に記載の地中熱交換器。
【請求項２０】
底蓋を有しない中空管体を回転圧入によって埋設し、前記中空管体内部の土壌中に熱媒を循環可能なＵ字形内挿管を圧入し、前記中空管体内部の土壌が侵入していない前記Ｕ字形内挿管と前記中空管体との間隙には、水またはモルタル、グラウト等の充填材が充填されており、周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されたことを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の地中熱交換器。
【請求項２１】
下端に回転羽根を備えた掘削蓋が中空管体の下端に係合され、前記中空管体の内側にＵ字形内挿管が１組以上挿入され、前記Ｕ字形内挿管の折返部分は前記掘削蓋に連結されており、前記掘削蓋が係合された状態の前記中空管体を回転圧入で埋設した後、前記中空管体と前記掘削蓋との係合を解除して前記中空管体のみを引き抜き、生じた掘削孔と前記Ｕ字形内挿管との空隙に水またはモルタル、グラウト等の充填材を充填し、前記Ｕ字形内挿管の内部に熱媒を循環して周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されたことを特徴とする地中熱交換器。
【請求項２２】
請求項１〜２１のいずれかの地中熱交換器とヒートポンプを連結し、前記ヒートポンプと空調機や融雪パイプ等の負荷処理設備を連結し、前記ヒートポンプと負荷処理設備との間に必要に応じて蓄熱槽を設置し、ヒートポンプにて製造した冷熱または温熱を冷房、暖房、融雪のいずれか一つ以上の熱源として使用することを特徴とする高効率エネルギーシステム。
【請求項２３】
請求項１〜２１のいずれかの地中熱交換器とヒートポンプを連結し、前記ヒートポンプと貯湯槽を連結し、貯湯槽内の水を昇温さらに温度保持し、ヒートポンプにて製造した温熱を給湯用途の熱源として使用することを特徴とする高効率エネルギーシステム。
【請求項２４】
請求項１〜２１のいずれかの地中熱交換器と空調機や融雪パイプ等の負荷処理設備を連結し、前記地中熱交換器と負荷処理設備との間に必要に応じて蓄熱槽を設置し、前記地中熱交換器内の地温水を循環ポンプにて負荷処理設備に送水することにより冷房、暖房、融雪のいずれか一つ以上の用途に直接利用することを特徴とする高効率エネルギーシステム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、大地が有する安定した温度を熱源として採放熱して利用する地中熱源方式や、大地の大きな熱容量を利用して土壌に蓄熱を行なう地中蓄熱方式等の地中熱利用システムにおいて、大地と熱利用側の熱授受に用いられる地中熱交換器に関する。
【０００２】
【従来の技術】
大地が有する安定した温度を熱源として採放熱して利用する地中熱源方式や、大地の大きな熱容量を利用して土壌に蓄熱を行なう地中蓄熱方式等の地中熱利用システムは、空調や融雪等に用いられるエネルギーの消費量を削減する方法の１つとして非常に有効である。このように地中熱を利用する場合において、大地と熱利用側との熱授受に用いられる地中熱交換器は、▲１▼Ｕ字管方式や、▲２▼鋼管井戸方式（二重管方式）によるものが一般的である［非特許文献１および非特許文献２参照］。
【０００３】
非特許文献３にも記載されているように、上記▲１▼のＵ字管方式による地中熱交換器は以下の工程で形成される。まず予め地中に孔を掘削し、仮ケーシング３８を挿入して孔の側壁を維持する［図２０（ａ）参照］。次に、この仮ケーシング３８内に送水直管および還水直管の下端部を連結してなるＵ字管２６を１組（１往復分）または２組（２往復分）挿入する［図２０（ｂ）参照］。そして、仮ケーシング３８を引き抜きつつ、孔とＵ字管との間隙にモルタル、グラウト等を充填して埋め戻して設置が完了する［図２０（ｃ），（ｄ）参照］。なお、孔壁維持のためには、仮ケーシング挿入ではなく泥水を用いる場合もある。
【０００４】
また非特許文献４にも記載されているように、上記▲２▼の二重管方式による地中熱交換器は、予め地中に孔を掘削し、この孔内に内挿管を挿入した後、孔と内挿管との間隙にモルタル、グラウト等を充填して埋め戻し、内挿管の内部に送水管および還水管の少なくとも一方を設置することで形成される。
【０００５】
上記▲１▼、▲２▼の地中熱交換器はいずれもエネルギー消費が少ない点で優れている。しかし、いずれの方式による場合も掘削、管挿入、埋め戻し、と工程が多く、このうち掘削費は特に高額である。さらに、孔壁維持のための泥水や仮ケーシングの使用、廃土処理の問題などから設置にかかる建設コストが高くなるため、現在は幅広い普及が阻害されている状況である［非特許文献２および非特許文献５参照］。
【０００６】
ここで地中熱利用システムにおいて、ＰＨＣ製基礎杭を二重管方式地中熱交換器に兼用することで建設コストの低減を図らんとする事例も見られる。しかし、コンクリートのひび割れによる熱源水や不凍液の漏洩が生じる点で改善の余地が多い。一方、水密性に優れる鋼管製の打撃杭については、管内部に土壌が侵入してくることから地中熱交換器との兼用は困難である［非特許文献５参照］。
【０００７】
【非特許文献１】
遠藤，「蓄熱工学Ｉ［基礎編］，第４章地中蓄熱」，森北出版株式会社，１９９５年１２月，１０１〜１０３Ｐ
【非特許文献２】
濱田他，「垂直埋設Ｕ字管を用いた地中蓄熱型冷暖房システムの実験と解析」，空気調和・衛生工学会論文集，Ｎｏ．６１，１９９６年４月，４６〜４７Ｐ
【非特許文献３】
落藤他，「深部地盤直接蓄熱システムに関する調査研究報告書」，財団法人エンジニアリング振興協会地下開発利用研究センター，平成１１年３月，４６〜４７Ｐ
【非特許文献４】
長野，「特集クリーンエネルギーを目指して  ８．地熱ヒートポンプ」，冷凍，社団法人日本冷凍空調学会，２００１年１２月号第７６巻第８９０号，８Ｐ
【非特許文献５】
宮本他，「地中熱融雪Ｓのコスト削減等  福井県雪対策班，省エネ化も」，週間エネルギー通信，エンジニアリングニュース社，第９７６号  平成１４年８月５日（月）発行，１７Ｐ
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は上記従来技術の欠点を除くためにされたものであり、その目的は地中熱交換器の埋設・据付に多工程を要する従来方式に比べて、非常に少ない工程で行なうことができ、かつ廃土処理も不要な地中熱交換器を提供することである。
【０００９】
本発明の他の目的は、孔の掘削時における優れた貫入性と掘削効率の確保を可能とし、地中熱交換器の設置にかかる建設費を大幅に低減できる地中熱交換器を提供することである。
【００１０】
また本発明の他の目的は、建物の基礎杭としての回転圧入鋼管杭において、管内部の土壌の侵入を抑制することで、水密性の高い鋼管杭を地中熱交換器に兼用可能にすることである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
（１）第１の発明は、下端部に回転羽根２が取り付けられた中空管体１に回転力と下向きの力を付加して回転圧入し、埋設された前記中空管体１の内部空間を利用して構築したことを特徴とする地中熱交換器である。
（２）第２の発明は、第１の発明において、中空管体１が鋼管で形成されており、前記中空管体が建物を支持する基礎杭としての回転圧入鋼管杭２２を兼用することを特徴とする。
（３）第３の発明は、第１または第２の発明において、回転羽根２が螺旋状羽根であって、回転羽根２の始端切断面６と終端切断面８との開き角度９が１０度から９０度に設定されていることを特徴とする。
（４）第４の発明は、第１から第３の発明において、中空管体１の管内径以下の直径に設定された開端穴１０が回転羽根２の中心部に設けられていることを特徴とする。
（５）第５の発明は、第１から第４の発明において、中空管体１内の下端部または中間部に底蓋３が設けられて前記中空管体１の内部が密閉されていることを特徴とする。
（６）第６の発明は、第１から第５の発明において、予め底蓋３が内部に固着されている中空管体１が回転圧入で埋設されていることを特徴とする。
（７）第７の発明は、第６の発明において、内部に予め取り付けられた底蓋３または底蓋３より下側の中空管体１側壁部に圧力逃がし穴１４が開口されていることを特徴とする。
（８）第８の発明は、第１から第５の発明において、内周の底蓋形成位置に予め突起物が取り付けられた中空管体１が回転圧入で埋設され、前記中空管体１に内接する落し蓋２１を前記中空管体１の埋設・据付後に前記中空管体１内部に投下し、前記中空管体１の内周と前記落し蓋２１とが固着されて底蓋３が形成されてなることを特徴とする。
（９）第９の発明は、第１から第５の発明において、内周の底蓋形成位置に予め突起物が取り付けられた中空管体１が回転圧入で埋設され、前記中空管体１の埋設・据付後に中空管体１内の底蓋形成位置に経時性硬化材を充填して底蓋３が形成されてなることを特徴とする。
（１０）第１０の発明は、第１から第５の発明において、内周の底蓋形成位置に予め突起物が取り付けられた中空管体１が回転圧入で埋設され、前記中空管体１に内接する落し蓋２１を前記中空管体１の埋設・据付後に前記中空管体１内部に投下し、前記落し蓋２１の上側に経時性硬化材を充填して底蓋３が形成されてなることを特徴とする。
（１１）第１１の発明は、第１から第１０の発明において、中空管体１の内面および外面の少なくとも一方が、防食被覆されていることを特徴とする。
（１２）第１２の発明は、第１から第１１の発明において、中空管体１の外面に熱交換を促進させるフィン１ａを取り付けたことを特徴とする。
（１３）第１３の発明は、第１から第１２の発明において、送水管４および還水管５の少なくとも一方が中空管体１の内側に設置されて前記中空管体１内部には熱媒が循環可能であって、周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されたことを特徴とする。
（１４）第１４の発明は、第１から第１２の発明において、中空管体１の内径よりも小径であって、その先端および頂部が閉塞されてなる外管２３ｂと、前記外管２３ｂの内側に配置されて、先端部近傍で外管２３ｂ外部と連通してなる内管２３ｃとで構成され、かつ前記外管２３ｂおよび前記内管２３ｃの間には空気または断熱材を密封して断熱層２５ａが形成された内挿二重管２３ａが中空管体１の内側に設置され、前記内挿二重管２３ａの内管２３ｃを送水管４および還水管５のいずれか一方として利用し、前記中空管体１と前記内挿二重管２３ａとの間に送水管および還水管の他方を設置することで熱媒が循環可能であって、周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されたことを特徴とする。
（１５）第１５の発明は、第１から第１２の発明において、中空管体１の内径よりも小径でかつ先端が閉塞されている内挿管２３が前記中空管体１の内側に配置され、前記中空管体１と前記内挿管２３との間隙には水またはモルタル、グラウト等の充填材２５が充填されており、送水管４および還水管５の少なくとも一方が前記内挿管２３の内側に設置されて前記内挿管２３内部には熱媒が循環可能であって、周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されたことを特徴とする。
（１６）第１６の発明は、第１から第１２の発明において、熱媒を循環可能なＵ字形内挿管２６が中空管体１の内側に１組以上挿入され、前記中空管体１と前記Ｕ字形内挿管２６との間隙には水またはモルタル、グラウト等の充填材２５が充填されており、周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されたことを特徴とする。
（１７）第１７の発明は、第１４の発明において、複数の中空管体を継ぎ足して構成された地中熱交換器であって、先端部の羽根付中空管体２７には、中空管体の内径よりも小径であって、その先端が閉塞されてなる外管２３ｂと、前記外管２３ｂの内側に配置されて、先端部近傍で外管２３ｂ外部と連通してなる内管２３ｃとからなる内挿二重管２３ａが配置されており、前記羽根付中空管体２７を所定位置まで回転圧入した後に、継手２９によって前記外管２３ｂおよび前記内管２３ｃを各々接続延長し、前記羽根付中空管体２７と継ぎ足し中空管体２８とを必要本数だけ順次接続することで必要長さを確保した上で、前記外管２３ｂおよび前記内管２３ｃの間に空気または断熱材を密封して断熱層２５ａを形成したことを特徴とする。
（１８）第１８の発明は、第１５の発明において、複数の中空管体を継ぎ足して構成された地中熱交換器であって、先端部の羽根付中空管体２７には、前記羽根付中空管体２７の内径よりも小径でかつ先端が閉塞されている内挿管２３が配置されており、前記羽根付中空管体２７を所定位置まで回転圧入した後に、継手２９によって内挿管２３を延長した上で前記羽根付中空管体２７と継ぎ足し中空管体２８とを必要本数だけ順次接続することで必要長さを確保したことを特徴とする。
（１９）第１９の発明は、第１６の発明において、複数の中空管体を継ぎ足して構成された地中熱交換器であって、先端部の羽根付中空管体２７には、Ｕ字形内挿管２６が１組以上挿入されており、前記羽根付中空管体２７を所定位置まで回転圧入した後に、継手２９によって各内挿管を延長した上で前記羽根付中空管体２７と継ぎ足し中空管体２８とを必要本数だけ順次接続することで必要長さを確保したことを特徴とする。
（２０）第２０の発明は、第１から第４の発明において、底蓋３を有しない中空管体１を回転圧入によって埋設し、前記中空管体１内部の土壌中に熱媒を循環可能なＵ字形内挿管２６を圧入し、前記中空管体１内部の土壌が侵入していない前記Ｕ字形内挿管２６と前記中空管体１との間隙には、水またはモルタル、グラウト等の充填材２５が充填されており、周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されたことを特徴とする。
（２１）第２１の発明は、下端に回転羽根２を備えた掘削蓋３１が中空管体１の下端に係合され、前記中空管体１の内側にＵ字形内挿管２６が１組以上挿入され、前記Ｕ字形内挿管２６の折返部分は前記掘削蓋３１に連結されており、前記掘削蓋３１が係合された状態の前記中空管体１を回転圧入で埋設した後、前記中空管体１と前記掘削蓋３１との係合を解除して前記中空管体のみを引き抜き、生じた掘削孔と前記Ｕ字形内挿管２６との空隙に水またはモルタル、グラウト等の充填材２５を充填し、前記Ｕ字形内挿管２６の内部に熱媒を循環して周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されたことを特徴とする地中熱交換器である。
（２２）第２２の発明は、第１〜第２１の発明のいずれかの地中熱交換器とヒートポンプを連結し、前記ヒートポンプと空調機や融雪パイプ等の負荷処理設備を連結し、前記ヒートポンプと負荷処理設備との間に必要に応じて蓄熱槽を設置し、ヒートポンプにて製造した冷熱または温熱を冷房、暖房、融雪のいずれか一つ以上の熱源として使用することを特徴とする高効率エネルギーシステムである。
（２３）第２３の発明は、第１〜第２１の発明のいずれかの地中熱交換器とヒートポンプを連結し、前記ヒートポンプと貯湯槽を連結し、貯湯槽内の水を昇温さらに温度保持し、ヒートポンプにて製造した温熱を給湯用途の熱源として使用することを特徴とする高効率エネルギーシステムである。
（２４）第２４の発明は、第１〜第２１の発明のいずれかの地中熱交換器と空調機や融雪パイプ等の負荷処理設備を連結し、前記地中熱交換器と負荷処理設備との間に必要に応じて蓄熱槽を設置し、前記地中熱交換器内の地温水を循環ポンプにて負荷処理設備に送水することにより冷房、暖房、融雪のいずれか一つ以上の用途に直接利用することを特徴とする高効率エネルギーシステム。
【００１２】
【発明の実施の形態】
＜第１実施形態＞
以下、本発明の第１実施形態の地中熱交換器について、図面を参照しつつ説明する。図１に示すように、第１実施形態の地中熱交換器は、下端部に回転羽根２が取り付けられた中空管体１を回転圧入して埋設し、中空管体１の底蓋３から上方の内部空間に送水管４および還水管５を設置して構築される。
【００１３】
図２に第１実施形態に用いられる中空管体１を示す。この中空管体１が単管で必要熱交換長さに満たない場合には、現場での円周溶接等によって継ぎ足すことで必要熱交換長さを確保する。なお、中空管体１の材質は鋼管に限定されることなく、プラスチック等の樹脂系材料で中空管体１が形成されていてもよい。さらに、中空管体１に外面防食が必要な場合にはポリエチレンやウレタン等で外面被覆を施してもよく、内面防食が必要な場合には硬質塩化ビニルやエポキシ等で内面被覆を施してもよい。
【００１４】
図２（ａ）に示すように、中空管体１の下端は螺旋状に切り欠かれており、この螺旋状切り欠きの始端部と終端部とは段差部分を介して接続されている。そして、螺旋状に切り欠かれた中空管体１の下端面に沿って、回転羽根２が中空管体１に対して同心状に固定されている。
【００１５】
回転羽根２は、図３に示すように円盤状（リング状）の鋼板を半径方向に一部切欠いて形成されており、回転羽根２の始端切断面６には掘削刃７が溶接により固着されている。回転羽根２はその始端切断面６から徐々に中空管体１の下端部から離れながら螺旋状に上昇し、終端切断面８までほぼ１周程度周回するように形成されている。
【００１６】
回転羽根２の始端切断面６と終端切断面８との開き角度９は、図３の例では４５度程度であるが、１０度から９０度の範囲で設定することができる。なお回転羽根２を延長して開き角度９を０度の位置にした場合には、破線で示す仮想終端切断面８ａと始端切断面６とが平行となる。
【００１７】
また回転羽根２の中心部には開端穴１０が開口されている。図２、図３の例では開端穴１０の直径Ｄが中空管体１の内径の０．６倍程度に設定されているが、本発明の開端穴１０の直径は中空管体１の内径以下であればいかなる直径であってもよく、また回転羽根２に開端穴１０を設けなくともよい。
【００１８】
上記のような開き角度９、開端穴１０を備えた回転羽根２は、中空管体１の優れた貫入性を確保し、施工効率向上によるコストの低減に寄与する。また、上記形状の回転羽根２は、管内部への土壌の侵入を管直径の１．５倍程度から管体長さの半分程度までの間に調節することができ、中空管体１の内部空間の有効利用が可能となる。
【００１９】
また中空管体１の内部には底蓋３が設置されており、土壌１１の侵入する中空管体１下部と、地中熱交換器に利用される中空管体１上部とが底蓋３によって区画されている。この底蓋３は回転圧入前に中空管体１内に予め形成されていてもよく、回転圧入後に中空管体１内に事後的に形成してもよい。
【００２０】
図４は底蓋３の取付態様の一例を示したものである。この例では、中空管体１内周の底蓋形成位置に予め突起物として輪状アングル１２を溶接し、この輪状アングル１２の上から落し蓋２１を溶接固定して底蓋３を形成している。なお、輪状アングル１２には必要に応じて補強スチフナを取り付けてもよい。
【００２１】
図４の例において、軟弱地盤等で貫入抵抗が大きくない場合には、予め底蓋３を輪状アングル１２に溶接して底蓋３の取り付けを完了した状態で、中空管体１の回転圧入施工をすることも可能である。この場合、図５に示すように底蓋３より下方の中空管体１下部に土壌１１が適度に侵入して、中空管体１下部に残る空気の圧縮による空気ばね効果が発揮されることで、硬い地層に達すると管内部に土壌１１がさらに侵入して、硬い土壌への貫入性が向上できる場合もある。
【００２２】
一方、地盤の貫入抵抗が大きく、予め底蓋３を取り付けて中空管体１下部を密閉しておくことが困難な場合には、輪状アングル１２のみ先付けした状態で中空管体１を回転圧入した後に、輪状アングル１２に底蓋３を溶接してもよい。
【００２３】
図６の例は、予め中空管体１内周に底蓋３を取り付ける一方で、中空管体１下部の圧力逃がし穴１４を設けて中空管体１下部に土壌１１を侵入し易くし、貫入抵抗を減少させて回転圧入する態様である。図６（ａ），（ｂ）は、底蓋３に圧力逃がし穴１４を設け、中空管体１の回転圧入後に圧力逃がし穴１４をプレート１５で塞ぐことで底蓋３の形成を完了する例である。また図６（ｃ）は圧力逃がし穴１４を底蓋３直下の中空管体１側壁部に開口した例である。この場合には回転圧入後に圧力逃がし穴１４を塞ぐ必要はない。
【００２４】
また、回転圧入後における中空管体１での火気使用を避けたい場合には、以下の種々の方法により事後的な底蓋３の形成が可能である。
【００２５】
図７は、中空管体１内部に土壌１１がある程度侵入してくる場合において底蓋３を回転圧入後に形成する態様の一例である。図７の例では、予め中空管体１内周の土壌侵入位置上部（底蓋形成位置）にコンクリート定着用の輪状鉄筋１６を溶接しておく。次に中空管体の回転圧入後にコンクリート１７を流し込み、さらに防水目地を中空管体との取り合い部に取ったシンダーコンクリート１８を打設する。そして目地部をシール１９した後に塗膜防水２０を行い底蓋３を形成する。なお、底蓋形成位置より地下水位が浅い場合でも、水中コンクリートを打設することにより底蓋３の形成が可能である。
【００２６】
また図８は、中空管体内部に土壌１１があまり侵入してこない場合において底蓋３を回転圧入後に形成する態様の一例である。図８の例では、予め中空管体１内周の土壌侵入位置上部（底蓋形成位置）に輪状アングル１２を溶接しておく。次に中空管体１の回転圧入後に、中空管体１に内接する落し蓋２１を投下した上でシンダーコンクリート１８を打設する。以下、図７の上記例と同様の工程で底蓋３が形成される。
【００２７】
そして中空管体１を回転圧入した後に、中空管体１の内部に送水管４および還水管５を設置して第１実施形態の地中熱交換器が完成する。この第１実施形態の地中熱交換器は、中空管体１の内部空間を熱媒の循環流路として直接使用する構成であって、周囲土壌より採熱または放熱ができるようになっている。
【００２８】
また図９は第１実施形態の地中熱交換器における送水管４および還水管５の配置例である。中空管体１が小口径の場合には、図９（ａ）に示すように送水管４および還水管５のいずれか一方を内挿する二重管方式となる（図示例では送水管４が内挿されている）。また中空管体１の口径が大きい場合には、図９（ｂ）に示すように送水管４および還水管５の両方を内挿する鋼管井戸方式となる。
【００２９】
第１実施形態の地中熱交換器では、中空管体１の回転圧入後に中空管体１の内部に送水管４および還水管５の少なくとも一方を設置するだけで施工が完了するため、従来方式の地中熱交換器と比べて著しく工程が短縮でき、飛躍的なコスト削減が可能となる。
【００３０】
＜第２実施形態＞
図１０は第２実施形態の地中熱交換器を示した図である。なお、以下の実施形態で第１実施形態と同一の構成には同一符号を付して重複説明を省略する。
【００３１】
第２実施形態は、建物を支持する基礎杭としての回転圧入鋼管杭２２を地中に回転圧入して埋設し、回転圧入鋼管杭２２の先端付近または中間部に底蓋３を形成して密閉し、その回転圧入鋼管杭２２の内部空間を利用して構築される地中熱交換器である。第２実施形態の地中熱交換器は、建物の支持に元来必要である基礎杭を熱交換器として兼用するため、熱交換器単独の埋設設置コストは不要となり、より一層のコスト削減が可能になる。なお、送水管４および還水管５の取り出し方法としては、図１０（ａ）に示すように、通常通り、回転圧入鋼管杭２２の頂部にフーチング２２ａを被せる取り合いとし、送水管４および還水管５を水平取り出しする方法や、回転圧入鋼管杭２２頂部のフーチング取合部外周に突起物を取り付けて、杭からフーチングに支持力を伝達することとし、送水管４および還水管５を垂直に取り出す方法、そしてこれらを併用した方法が考えられる。
【００３２】
＜第３実施形態＞
図１１は第３実施形態の地中熱交換器を示した図である。第３実施形態では中空管体１の外周に熱交換促進用のフィン１ａが取り付けてある。フィン１ａの形状は中空管体１の回転圧入に支障のない形状であればよく、例えば掘削用回転羽根を上方に延長してなる小径螺旋型フィンなどが考えられる。なお、図１１では中空管体１の全長にわたってフィン１ａが設けられているが、フィン１ａが熱交換促進に効果的であるのは地下水が存在する場合なので、実際には帯水層などの地下水が存在する地層部分をカバーできるようにフィン１ａを設ければよい。
【００３３】
＜第４実施形態＞
図１２は第４実施形態の地中熱交換器を示した図である。第４実施形態では中空管体１の内側に内挿二重管２３ａを挿入し、内管２３ｃの内部および外管２３ｂの外側に熱媒を循環させて、周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されている。この第４実施形態は、地中熱交換器内の保有熱媒量を少なくできる点で有利である。例えば、基礎杭などの大口径の中空管体を地中熱交換器として用い、かつ寒冷地において熱媒に高価な不凍液を用いなければならない場合には、使用する不凍液の量を減少できるのでコスト面で有利となる。
【００３４】
第４実施形態に用いられる内挿二重管２３ａは、中空管体１の内径よりも小径の外管２３ｂと、この外管２３ｂの内側に配置される内管２３ｃで構成されている。外管２３ｂの先端はキャップ２４により閉塞されており、外管２３ｂの頂部は内管２３ｃが挿通する穴あきキャップ２４ａにより閉塞されている。また、外管２３ｂの先端部近傍には、内管２３ｃと連通してなる開口が設けられている。そして、内挿二重管２３ａにおける外管２３ｂおよび内管２３ｃの間には、空気または断熱材が密封されて断熱層２５ａが形成されている。
【００３５】
第４実施形態の地中熱交換器では、中空管体１の内側に内挿二重管２３ａが配置され、かつ中空管体１と内挿二重管２３ａとの間に還水管５が配置されている。そして、内挿二重管２３ａの内管２３ｃから送られた熱媒は、外管２３ｂの開口部を経て、中空管体１と内挿二重管２３ａとの間から還水管５へ循環するように構成されている。なお、第４実施形態では内挿二重管２３ａの内管２３ｃが送水管となる例を示したが、その逆に内管２３ｃを還水管として、中空管体１と内挿二重管２３ａとの間に送水管４を配置する構成としてもよい［図示を省略する。］
【００３６】
＜第５実施形態＞
図１３は第５実施形態の地中熱交換器を示した図である。第５実施形態では中空管体１の内側に内挿管２３を配置し、内挿管２３内部に熱媒を循環させることで周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されている。
【００３７】
第５実施形態の内挿管２３はその外径が中空管体１の内径よりも小さく設定されており、中空管体１の内側に内挿管２３が挿入配置されている。内挿管２３の先端はキャップ２４などによって閉塞されている。中空管体１と内挿管２３との間隙には水またはモルタル、グラウト等の充填材２５が充填されている。そして、内挿管２３の内側には送水管４が配置され、かつ中空管体１からはみ出した内挿管２３の上端部は還水管５と接続されており、水またはその他の熱媒が内挿管２３の内部を循環するように構成されている。
【００３８】
＜第６実施形態＞
図１４は第６実施形態の地中熱交換器を示した図である。第６実施形態では送水直管および還水直管の下端部を連結して構成された１組（１往復分）のＵ字管２６が中空管体１の内側に挿入されている。中空管体１とＵ字管２６との間隙には水またはモルタル、グラウト等の充填材２５が充填されており、水またはその他の熱媒をＵ字管２６の内部に循環させることで周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されている。なお、図１４の例では中空管体１の内側に挿入されたＵ字管２６は１組（１往復分）であるが、２組（２往復分）のＵ字管を配置する構成でもよい［図示を省略する］。
【００３９】
＜第７実施形態＞
図１５は第７実施形態の地中熱交換器を示した図である。第７実施形態は第４実施形態の変形例であって、中空管体１および内挿二重管２３ａを継ぎ足して地中熱交換器を延長し、必要熱交換長さを確保した例である。
【００４０】
第７実施形態の地中熱交換器の設置作業では、まず先端部の羽根付中空管体２７の内側に内挿二重管２３ａの先端部を挿入しておく。内挿二重管２３ａの羽根付中空管体２７への固定は、羽根付中空管体２７の底蓋３に取付けたキャップ２４に内挿二重管２３ａを嵌め込むことで行う。
【００４１】
次に、羽根付中空管体２７を所定位置まで回転圧入し、継ぎ足し用の外管２３ｂおよび内管２３ｃを吊り込んで、内挿二重管２３ａを延長する。外管２３ｂおよび内管２３ｃの接合は、水密性、可撓性および伸縮性に優れた継手２９によって行う。
【００４２】
さらに羽根付中空管体２７と継ぎ足し用中空管体２８とを現場円周溶接等により接合し、接合完了後に一体化した中空管体１を回転圧入する。必要に応じて上記の継ぎ足し作業を繰り返すことで、所望の長さまで地中熱交換器を延長することができる。また、中空管体１の回転圧入完了後に外管２３ｂの頂部を穴あきキャップ２４ａで閉塞して、外管２３ｂおよび内管２３ｃの間に断熱層２５ａを形成する。そして、中空管体１と内挿二重管２３ａとの間隙に還水管５を配置して地中熱交換器が完成する。
【００４３】
なお、第７実施形態における設置作業はあくまで１例であって、図示の例に限定されることはない。例えば、羽根付中空管体２７を継ぎ足し中空管体２８によって延長して必要長さを埋設した後に、吊り込み固定冶具を用いて内挿二重管２３ａを継手２９で延長しながら、中空管体１内に落しこんでいってもよい［図示を省略する］。
【００４４】
＜第８実施形態＞
図１６は第８実施形態の地中熱交換器を示した図である。第８実施形態は第５実施形態の変形例であって、中空管体１および内挿管２３を継ぎ足して地中熱交換器を延長し、必要熱交換長さを確保した例である。
【００４５】
第８実施形態の地中熱交換器の設置作業では、まず先端部の羽根付中空管体２７の内側に、先端が閉塞された小径の内挿管２３を挿入する。この羽根付中空管体２７と内挿管２３との間隙にはモルタル、グラウト等の充填材２５が充填されており、内挿管２３が固定されている。
【００４６】
次に、羽根付中空管体２７を所定位置まで回転圧入し、継ぎ足し用中空管体２８を吊り込んで、羽根付中空管体２７と継ぎ足し用中空管体２８とを接合する。継ぎ足し用の中空管体２８には内挿管２３が挿入され、かつ中空管体２８と内挿管２３との間隙にはモルタル、グラウト等の充填材２５が充填されている。そして、内挿管２３同士の接合は、水密性、可撓性および伸縮性に優れた継手２９によって行い、羽根付中空管体２７と継ぎ足し用中空管体２８との接合は、現場円周溶接等により行なわれる。なお、接合部に充填材２５の注入孔を予め設けておき、羽根付中空管体２７と継ぎ足し用中空管体２８との接合後に継手２９の空隙部に充填材２５を注入して、注入孔を塞ぐのがより好ましい。
【００４７】
上記の羽根付中空管２７体と継ぎ足し用中空管体２８との接合が完了した後、一体化した中空管体１を回転圧入する。必要に応じて上記の継ぎ足し作業を繰り返すことで、所望の長さまで地中熱交換器を延長することができる。そして、中空管体１の回転圧入完了後に内挿管２３の内側に送水管４を配置して地中熱交換器が完成する。
【００４８】
なお、第８実施形態における設置作業はあくまで１例であって、図示の例に限定されることはない。例えば、継ぎ足し中空管体２８に予め内挿管２３を固定することなく、継ぎ足し中空管体２８と内挿管２３とを同時に吊り込んで各々接合し、必要な長さを埋設した後に充填材２５を充填してもよい。また、内挿管２３の固定を冶具によって行い、中空管体１の埋設が完了した後で充填材２５を充填してもよい［ともに図示を省略する］。
【００４９】
＜第９実施形態＞
図１７は第９実施形態の地中熱交換器を示した図である。第９実施形態は第６実施形態の変形例であって、中空管体１およびＵ字管２６内挿管２３を継ぎ足して地中熱交換器を延長する例である。この第９実施形態は、羽根付中空管体２７に配置されたＵ字管２６に、継ぎ足し中空管体２８内に配置された送水直管および還水直管を継ぎ足す点で第８実施形態と異なる。なお、図１７の例では中空管体１の内側に挿入されたＵ字管２６は１組（１往復分）であるが、２組（２往復分）のＵ字管を配置する構成でもよい。
【００５０】
＜第１０実施形態＞
図１８は第１０実施形態の地中熱交換器を示した図である。第１０実施形態は、底蓋を有しない中空管体１を回転圧入によって埋設した後に、中空管体１の内部に充填された土壌１１中にＵ字管２６を圧入する地中熱交換器の設置例である。第１０実施形態は、底蓋を設けて中空管体１の内部空間を予め確保しなくとも、土壌１１を除去することなくＵ字管２６を土壌１１中に圧入可能と判断される場合（例えば軟弱地盤等の場合）に用いられる。Ｕ字管２６を土壌１１に圧入した後において、中空管体１内部の土壌１１が侵入していない間隙部分には、モルタル、グラウト等の充填材２５が充填されており、周囲土壌より採熱または放熱ができるように構成されている。
【００５１】
＜第１１実施形態＞
図１９は第７実施形態の地中熱交換器を示した図である。第１１実施形態では、Ｕ字管２６を内挿した中空管体１を回転圧入した後に、管体３０のみを引き抜いて地中にＵ字管２６を配置して地中熱交換器を形成する。
【００５２】
第１１実施形態の施工に用いられる中空管体１は、管体３０の先端部に取り付けられる掘削蓋３１と複数の管体３０とをジョイントで機械的に連結することで構成されている。なお、管体３０と掘削蓋３１とのジョイントには、例えば、掘削蓋３１の内側に挿入される管体３０の係合部分に鉤状切り込みを設け、掘削蓋３１の内周に突起を設けて、鉤状切り込みと突起とを係合・解除するものなど、種々のジョイントが適用できる［図示を省略する］。
【００５３】
また掘削蓋３１の下端には回転羽根２が設けられている。さらに掘削蓋３１の内側上面にはスイベルジョイント３２が設けられており、このスイベルジョイント３２によってＵ字管２６下端の折返部分が掘削蓋３１に連結されている。
【００５４】
第１１実施形態の地中熱交換器の施工は、以下の工程で行なわれる。
▲１▼  まず、管体３０の先端に掘削蓋３１をジョイントで連結して中空管体１を構成し、中空管体１の内側にＵ字管２６を配置する。またＵ字管２６の折返部分は掘削蓋３１に連結する。
▲２▼  次に中空管体１を地中に回転圧入する。なお、中空管体１の長さが不足する場合には管体３０をジョイントで連結して継ぎ足しながら回転圧入を行なう［図１９（ａ）参照］。
▲３▼  中空管体１を所望の長さまで回転圧入した後、管体３０と掘削蓋３１とのジョイントを解除して、掘削孔から管体３０のみを引き抜く［図１９（ｂ）参照］。これにより、掘削孔の内部には掘削蓋３１とＵ字管２６が残される［図１９（ｃ）参照］。
▲４▼  そして、掘削孔とＵ字管２６との空隙に水またはモルタル、グラウト等の充填材２５を充填することで地中熱交換器が完成する［図１９（ｄ）参照］。
【００５５】
図２１は、本発明の地中熱交換器を用いた高効率エネルギーシステムの一実施形態を示すものである。この高効率エネルギーシステムでは、地中に設置された基礎杭兼用地中熱交換器４１と専用杭地中熱交換器４２とが、地表の建物４３内に設置したヒートポンプ４４に連結される。空調系統においては、ヒートポンプ４４は、空調機４５と連結され、空調機４５からの冷暖房空気が空調ダクト４６を通して建物４３内の空間に噴出する。また、ヒートポンプ４４は、室内用空調機４７に連結され、これにより室内を冷却・加熱する。図示しているのは、室内用空調機であるファンコイルユニットの例であるが、放熱機や床暖房パイプ等を用いる場合もある。ヒートポンプ４４と空調機４５、室内用空調機４７との間に必要に応じて蓄熱槽４８を設置する。蓄熱槽４８は、ヒートポンプ４４の能力がピーク負荷に満たない時や夜間電力を利用する場合に設置する。給湯系統においては、ヒートポンプ４４と貯湯槽５０を連結し、貯湯槽内の水を昇温さらに温度保持し、ここから安定した給湯温度で給湯栓４９にお湯を供給する。
【００５６】
図２２は、本発明の地中熱交換器を用いた高効率エネルギーシステムの他の実施形態を示すものである。この高効率エネルギーシステムでは、地中に設置された専用杭地中熱交換器４２と道路の路面下に埋設された融雪パイプ５１と熱媒循環ポンプ５２を介して連結したものである。
【００５７】
【発明の効果】
本発明の地中熱交換器は、多工程が必要となる従来方式の地中熱交換器と比べて著しく工程が短縮できる。また、泥水や廃土処理も不要であって、独自の回転羽根形状によって中空管体の貫入性に優れることから、地中熱交換器の設置にかかる建設コストを大幅に抑制できる。
【００５８】
また本発明では、回転羽根形状や底蓋の形成方法によって、水密性の高い鋼管杭の内部空間を熱交換器として兼用することを可能とした。そのため、建物の支持に元来必要である基礎杭を熱交換器として兼用することで、熱交換器単独の埋設設置コストは不要となり、より一層のコスト削減が可能になる。
【００５９】
なお、地中熱利用システムはエネルギー消費の非常に少ない優れたシステムであるが、非常に高い建設費がによって幅広い普及が阻害されているのが現状である。したがって、本発明の上記の効果によりその普及が促進されることが期待できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１実施形態の地中熱交換器を示した図である。
【図２】第１実施形態に用いられる中空管体を示す図である。
【図３】第１実施形態に用いられる回転羽根を示す図である。
【図４】底蓋の取付態様の一例を示した図である。
【図５】中空管体に予め底蓋を形成した場合の空気ばね効果を説明する図である。
【図６】中空管体の圧力逃がし穴の設置例を示した図である。
【図７】底蓋を回転圧入後に形成する態様の一例を示した図である。
【図８】底蓋を回転圧入後に形成する態様の一例を示した図である。
【図９】第１実施形態の地中熱交換器における送水管および還水管の配置例を示した図である。
【図１０】第２実施形態の地中熱交換器を示した図である。
【図１１】第３実施形態の地中熱交換器を示した図である。
【図１２】第４実施形態の地中熱交換器を示した図である。
【図１３】第５実施形態の地中熱交換器を示した図である。
【図１４】第６実施形態の地中熱交換器を示した図である。
【図１５】第７実施形態の地中熱交換器を示した図である。
【図１６】第８実施形態の地中熱交換器を示した図である。
【図１７】第９実施形態の地中熱交換器を示した図である。
【図１８】第１０実施形態の地中熱交換器を示した図である。
【図１９】第１１実施形態の地中熱交換器を示した図である。
【図２０】従来のＵ字管方式による地中熱交換器の施工工程を示す図である。
【図２１】本発明の地中熱交換器を用いた高効率エネルギーシステムの一実施形態を示す図である。
【図２２】本発明の地中熱交換器を用いた高効率エネルギーシステムの他の実施形態を示す図である。
【符号の説明】
１      中空管体
１ａ    フィン
２      回転羽根
３      底蓋
４      送水管
５      還水管
６      始端切断面
７      掘削刃
８      終端切断面
８ａ    仮想終端切断面
９      開き角度
１０    開端穴
１１    土壌
１２    輪状アングル
１３    溶接部
１４    圧力逃がし穴
１５    プレート
１６    輪状鉄筋
１７    コンクリート
１８    シンダーコンクリート
１９    シール
２０    塗膜防水
２１    落し蓋
２２    回転圧入鋼管杭
２２ａ  フーチング
２３    内挿管
２３ａ  内挿二重管
２３ｂ  外管
２３ｃ  内管
２４    キャップ
２４ａ  穴あきキャップ
２５    充填材
２５ａ  断熱層
２６    Ｕ字管（Ｕ字形内挿管）
２７    羽根付中空管体
２８    継ぎ足し用中空管体
２９    継手
３０    管体
３１    掘削蓋
３２    スイベルジョイント
３３    地表面
３７    中空スクリューオーガ
３８    仮ケーシング
４０    モルタル
４１    基礎杭兼用地中熱交換器
４２    専用杭地中熱交換器
４３    建物
４４    ヒートポンプ
４５    空調機
４６    空調用ダクト
４７    室内用空調機
４８    蓄熱槽
４９    給水栓
５０    貯湯槽
５１    融雪パイプ
５２    熱媒循環ポンプ
【図１】
2004233031.tif 000003
【図２】
2004233031.tif 000004
【図３】
2004233031.tif 000005
【図４】
2004233031.tif 000006
【図５】
2004233031.tif 000007
【図６】
2004233031.tif 000008
【図７】
2004233031.tif 000009
【図８】
2004233031.tif 000010
【図９】
2004233031.tif 000011
【図１０】
2004233031.tif 000012
【図１１】
2004233031.tif 000013
【図１２】
2004233031.tif 000014
【図１３】
2004233031.tif 000015
【図１４】
2004233031.tif 000016
【図１５】
2004233031.tif 000017
【図１６】
2004233031.tif 000018
【図１７】
2004233031.tif 000019
【図１８】
2004233031.tif 000020
【図１９】
2004233031.tif 000021
【図２０】
2004233031.tif 000022
【図２１】
2004233031.tif 000023
【図２２】
2004233031.tif 000024