(57)【要約】【課題】熱交換効率がよくて熱交換ロスがなく、地中熱交換器の加工や、地中熱交換器を埋める穴の掘削と埋設作業が容易なものを得る。【解決手段】  地中に埋設されると共に内部を流れる熱媒を地中熱で温度調節する地中熱交換器であって、地表近くで熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部１と、往路管部１から出た熱媒を地上へ戻す復路管部２と、を備える。往路管部１を、下方に向かって順次拡径するように巻設し、往路管部１の巻形状を丸状にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に埋設されると共に内部を流れる熱媒を地中熱で温度調節する地中熱交換器であって、地表近くで前記熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部１と、この往路管部１から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２と、を備えたことを特徴とする地中熱交換器。
【請求項２】
往路管部１を、下方に向かって順次拡径するように、又は、下方に向かって順次縮径するように、巻設した請求項１記載の地中熱交換器。
【請求項３】
往路管部１の巻形状を、丸状、多角状又は長円状にした請求項１又は２記載の地中熱交換器。
【請求項４】
地中に埋設されると共に内部を流れる熱媒を地中熱で温度調節する地中熱交換器であって、地表近くで所定間隔を隔てて対向すると共に前記熱媒が蛇行状に下りながら流れる一対の樹脂製の往路管部１、１と、この往路管部１から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２と、を備えたことを特徴とする地中熱交換器。
【請求項５】
一対の往路管部１、１の間隔が、下方に向かって順次広がるように、又は、下方に向かって順次狭くなるように、配設した請求項４記載の地中熱交換器。
【請求項６】
往路管部１を扁平管とした請求項１、２、３、４又は５記載の地中熱交換器。
【請求項７】
往路管部１の長径側を尖状とした請求項６記載の地中熱交換器。
【請求項８】
往路管部１を丸管とし、その外周壁を周方向に向かって蛇行状となるように形成した請求項１、２、３、４又は５記載の地中熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地中熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地中はある深さ以下になると年間を通してほぼ一定の温度であるので、その地中熱を利用し空調を行うシステムなどがある。この地中熱を熱媒を介して採熱などを行うのが地中熱交換器で、熱媒を地上から地中の深層部まで下ろしてから反転させて地上へ返すように全体がＵ字を成す往復路管部を、備え、これを掘削した穴に挿入して埋め、地中と熱媒の間で熱交換を行っており、この往復路管部には耐蝕性、耐久性などの点から樹脂製パイプが用いられている。
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−２８９５３３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記のＵ字状往復路管部で必要な熱量を得るためには、深層部に向け縦穴を特殊な掘削機械で長時間かけて掘らねばならず、しかも穴の崩れ防止や泥土や湧水などの処理も必要で、非常に手間と時間がかかりコスト高となる問題がある。そのために、一つの穴にＵ字状往復路管部の容量を大きくしたものを埋めたり、一つの穴に複数本を埋めたりすると、地中の狭い範囲で集中して採熱することとなり、例えば冬期では地中から奪う単位体積当りの熱量が多くなって地中温度の回復に長時間かかるため、採熱量が低下し続けて空調運転できなくなったり、凍結防止のために不凍液を使用しなければならないため環境汚染が発生する問題がある。また、Ｕ字状往復路管部では往路も復路も同じ経路を熱媒が流れるため、例えば冬期では、熱媒が地表へ戻る際、せっかく採熱温調した熱媒が地上近くで放熱して、熱ロスが生じる問題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明は上記課題を解決するため、地中に埋設されると共に内部を流れる熱媒を地中熱で温度調節する地中熱交換器であって、地表近くで前記熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部と、この往路管部から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部と、を備えたこと、また、地表近くで所定間隔を隔てて対向すると共に前記熱媒が蛇行状に下りながら流れる一対の樹脂製の往路管部と、この往路管部から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部と、を備えたことを最も主要な特徴とする。
【発明の効果】
【０００６】
請求項１の発明によれば、地域により異なるが深度１ｍ位までの地中温度は外気の影響を受けて冬は低く夏は高くなるが、熱媒が採熱（冬期）・放熱（夏期）可能な温度差が地中に対してあるため、往路管部１を細くて長い渦巻き状として地表近くに埋め、熱媒を地熱流に対してカウンターフローで流して、熱交換効率を良くしつつ地中で広範囲に分散して少しずつ熱交換させることにより、熱媒を温度調節するために必要とされる地熱量を得ることができ、かつ地中から奪う単位体積当りの地熱量を少なくできる。そのため、地中温度が回復しやすく、長時間の連続空調運転も可能となり、環境汚染の心配の無い水を熱媒として使用でき、不凍液を使わずに済む。さらに往路管部１は継ぎ目のない１本の管を巻設するだけよいので加工が簡単になり、バネ状に巻設して伸縮性をもたせてあるので免震性に優れ、地震に対する耐久性が十分で、破損による熱媒漏れなどを防止できる。復路管部２は地上に熱媒を戻すだけでよいので短くてよく、地中との再熱交換による熱ロスが皆無で、熱交換効率の向上を図れて熱媒温度が安定する。往路管部１の埋設用穴は地表近くをパワーショベルなどの普通の掘削機械で浅く掘るだけでよく、掘削の時間と費用の削減を図れて施工が容易となる。
請求項２の発明によれば、一巻き毎に往路管部１の径の大きさを変えることで管部同士の熱交換領域の重複部をなくし、地中の広い範囲で満遍なく熱交換させて地中温度の早期回復を図り、かつ熱交換効率を向上させることができる。下方に向かって順次拡径するように巻設した往路管部１では、深くなるにつれて被地中熱量が増えて安定するのに合わせて、往路管部１の径を大きく長くして熱交換量を増やすことにより、熱交換効率を高めることができる。さらに、往路管部１を埋める際、径中央部から土を盛ることにより、往路管部１の形に沿った山形となり、往路管部１の形を崩さずに容易に埋めることができる。下方に向かって順次縮径するように巻設した往路管部１では、その形状に合わせて埋設用穴は擂り鉢状でよいので掘りやすく、一層施工が容易となる。
請求項３の発明によれば、往路管部１が丸状や多角状の巻形状では、地中で一層広範囲に分散して少しずつ採熱でき、さらに地中温度が回復しやすくなる。往路管部１が長円状や長方形の多角状の巻形状では、狭く細長い土地にも容易に埋設することができる。
請求項４の発明によれば、地域により異なるが深度１ｍ位までの地中温度は外気の影響を受けて冬は低く夏は高くなるが、熱媒が採熱（冬期）・放熱（夏期）可能な温度差が地中に対してあるため、往路管部１を細くて長い蛇行状として地表近くに埋め、熱媒を地熱流に対してカウンターフローで流して、熱交換効率を良くしつつ地中で広範囲に分散して少しずつ熱交換させることにより、熱媒を温度調節するために必要とされる地熱量を得ることができ、かつ地中から奪う単位体積当りの地熱量を少なくできる。そのため、地中温度が回復しやすく、長時間の連続空調運転も可能となり、環境汚染の心配の無い水を熱媒として使用でき、不凍液を使わずに済む。さらに往路管部１は蛇行状にして伸縮性をもたせてあるので免震性に優れ、地震に対する耐久性が十分で、破損による熱媒漏れなどを防止できる。復路管部２は地上に熱媒を戻すだけでよいので短くてよく、地中との再熱交換による熱ロスが皆無で、熱交換効率の向上を図れて熱媒温度が安定する。往路管部１の埋設用穴は地表近くをパワーショベルなどの普通の掘削機械で浅く掘るだけでよく、掘削の時間と費用の削減を図れて施工が容易となる。往路管部１、１を対向させて幅を狭くできるので、狭く細長い土地にも容易に埋設することができる。
請求項５の発明によれば、一蛇行毎に往路管部１、１の間隔の広さを変えることで管部同士の熱交換領域の重複部をなくし、地中の広い範囲で満遍なく熱交換させて地中温度の早期回復を図り、かつ熱交換効率を向上させることができる。間隔が下方に向かって順次広がるように配設した往路管部１、１では、往路管部１、１を埋める際、間隔の中央部から土を盛ることにより、往路管部１の形に沿った山形となり、往路管部１の形を崩さずに容易に埋めることができる。間隔が下方に向かって順次狭くなるように配設した往路管部１、１では、その形状に合わせて埋設用穴はＶ溝状でよいので掘りやすく、一層施工が容易となる。
請求項６の発明によれば、往路管部１が扁平管なので短径側外面から管中央部の熱媒への伝熱が早く、熱交換効率がさらに良くなる。扁平管なので曲げやすく、往路管部１を渦巻き状や蛇行状に簡単に形成することができる。
請求項７の発明によれば、往路管部１が扁平管で長径側が尖状なので熱媒が乱流となって強制対流により伝熱が促進され、熱交換効率がさらに向上する。
請求項８の発明によれば、往路管部１の外周壁が蛇行状なので伝熱面積が増えかつ内部では熱媒の乱流効果をさらに高めることができ、一層熱交換効率が向上する。
【実施例】
【０００７】
図１と図２は、本発明の地中熱交換器の一実施例を示しており、地中に埋設されると共に内部を流れる熱媒を地中熱で温度調節する地中熱交換器であって、地表近くで前記熱媒が渦巻き状に下りながら流れる樹脂製の往路管部１と、この往路管部１から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２と、を備えている。往路管部１の巻形状の平均径は、すくなくとも略２ｍ以上の大きな曲率に設定する。復路管部２は可能な限り短く細くして熱媒を地上へ迅速に戻すようにする。図例では往路管部１の内径側に沿って立設して外径側にはみ出さないようにしているが、外径側で立設してもよい。往路管部１と復路管部２は、１本の管で一体に形成又は別個の管を接続して成り、例えば深さ３ｍ位の地表近くに掘削された埋設用穴３に埋められ、往路管部１と復路管部２が、水冷ヒートポンプ４などと配管接続され、地中と熱交換された熱媒がポンプにて循環し、空調機の熱源水などとして利用される。なお、熱媒として水を用いる以外に、ブラインやその他各種の液体を用いるも自由である。
【０００８】
往路管部１は、下方に向かって順次拡径するように巻設し、その巻形状を円形状や楕円形状の丸状として、一巻き毎に往路管部１を左右方向にずらして管部同士の熱交換領域（図２の仮想線参照）の重複部をなくすと共に、図１の仮想線で示すように、埋設作業時に往路管部１の径中央部で埋設土が山形となって往路管部１に内側から自然に沿うようにする。往路管部１は、径方向切断面が円形状や楕円形状（図示省略）の丸形管としているが、図３（ａ）のように、往路管部１の外周壁を周方向に向かって蛇行状となるように形成してもよく、あるいは、図３（ｂ）のように、長径側を両外側に向かって細くなる尖状にした扁平管に形成してもよい。なお、図４（ａ）のように、往路管部１を、下方に向かって順次縮径するように巻設してもよく、この場合、埋設用穴３を掘りやすい擂り鉢状にすることができる。復路管部２は往路管部１の内径側に立設して外径側にはみ出さないようにし、埋設用穴３に収まり易くして掘削及び埋設作業の迅速化を図る。また、図４（ｂ）のように、往路管部１を全て同径になるよう巻設してもよい。
【０００９】
図５は往路管部１の巻形状を多角状にした例で、図５（ａ）は往路管部１を下方に向かって順次拡径するように、図５（ｂ）は、往路管部１を下方に向かって順次縮径するように、図５（ｃ）は、往路管部１を全て同径になるように、各々巻設した場合を示している。図例では往路管部１の直線状管部の長さを全て略同一にして正方形状にしているが、部分的に相異させて例えば図６のように長方形状にしてもよく、図６（ａ）は往路管部１を下方に向かって順次拡径するように、図６（ｂ）は、往路管部１を下方に向かって順次縮径するように、図６（ｃ）は、往路管部１を全て同径になるように、各々巻設した場合を示している。このように往路管部１の直線状管部の各長さの設定は自由で、さらに角数を増減させて三角形状や六角形状などにするも自由である。図７は往路管部１の巻形状を長円状にした例で、図７（ａ）は往路管部１を下方に向かって順次拡径するように、図７（ｂ）は、往路管部１を下方に向かって順次縮径するように、図７（ｃ）は、往路管部１を全て同径になるように、各々巻設した場合を示している。図６と図７の場合、埋設用穴３を掘りやすい幅の狭い溝状にすることができる。なお、前記各実施例は図例に限定されず、往路管部１の巻数（段数）や径の寸法変更は自由で、さらに往路管部１を下方に向かって全体的又は部分的に拡縮させるも自由である。
【００１０】
図８は他の実施例で、所定間隔を隔てて対向すると共に熱媒が蛇行状に下りながら流れる一対の樹脂製の往路管部１、１と、この往路管部１から出た前記熱媒を地上へ戻す復路管部２と、を備えたもので、その他は前記実施例と同様構成である。図８（ａ）は一対の往路管部１、１の間隔が下方に向かって順次広がるように、図８（ｂ）は一対の往路管部１、１の間隔が下方に向かって順次狭くなるように、図８（ｃ）は一対の往路管部１、１の間隔が全て同じになるように、各々配設した場合を示している。図８（ａ）の場合、仮想線で示すように埋設作業時に往路管部１の径中央部で埋設土が山形となって往路管部１、１に内側から自然に沿うようにでき、図８（ｂ）の場合、埋設用穴３を掘りやすいＶ溝状にすることができ、図８（ｃ）の場合、埋設用穴３を掘りやすい幅の狭い溝状にすることができる。なお、往路管部１の蛇行数や間隔の増減は自由である。また、図例では、往路管部１を、多数の平行な直線状管部の端部で逆方向に交互に折り返すように形成して内部流通熱媒が下るように形成しているが、直線状管部の長さの増減や段数の変更は自由である。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施例を示す全体簡略斜視図。
【図２】往路管部の断面図。
【図３】往路管部の他の形状例の断面図。
【図４】往路管部の他の形状例の簡略斜視図。
【図５】往路管部の別の形状例の簡略斜視図。
【図６】往路管部のさらに別の形状例の簡略斜視図。
【図７】往路管部のさらに別の形状例の簡略斜視図。
【図８】本発明の他の実施例を示す簡略斜視図。
【符号の説明】
【００１２】
１    往路管部
２    復路管部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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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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