(57)【要約】【課題】空調用の熱交換器を改良して熱交換効率を格段に向上させ、併せて製造コストの低減と製品品質の均一化を図る。【解決手段】床１の下方の地面に本体管６を埋設する。本体管６の中には縦割り形の仕切り壁７が一体に連設されている。これらの部材はアルミニウム合金で作ることが望ましい。ブロワ５から矢印ａの方向に送出された空気流は、矢印ｈ〜矢印ｊの方向に流動して矢印ｋの方向に放出される。この際、矢印ｈの下降流動の間、及び矢印ｊの上昇流動の間を通じて、流動空気は本体管６の管壁を介して土壌と熱交換され、夏季には冷却され冬季には加熱される。このようにして空気流は往路（矢印ｈ）も復路（矢印ｊ）も冷却／加熱される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
空気流を地中に導く管路と、地中に導かれた空気流を地上に導く管路とを有していて、空気流と土壌との間で熱交換を行わせる空調設備用の熱交換器において、
熱交換器の本体をなす管状部材である本体管の中に、該本体管の中心線を通る面に沿って仕切り壁を設けることによって、空気流を地中に導く管路と空気流を地上に導く管路とが形成され、
かつ、空気流を地中に導く管路の終点と、地上に導く管路の始点とが連通されていることを特徴とする、空調設備用の熱交換器。
【請求項２】
空気流を地中に導く管路と、地中に導かれた空気流を地上に導く管路とを有していて、空気流と土壌との間で熱交換を行わせる空調設備用の熱交換器において、
空気を地中に導く流路と、空気を地上に導く流路とが、互いに独立した略等径の管状部材によって構成され、
かつ、空気を地中に導く管状部材の下端と、空気を地上に導く管状部材の下端とが、管継手により、若しくは水平な管状部材によって接続連通されていることを特徴とする、空調設備用の熱交換器。
【請求項３】
空気を地中に導く管状部材と、空気を地上に導く管状部材との組が、複数組設けられていることを特徴とする、請求項１又は２に記載した空調設備用の熱交換器。
【請求項４】
空気流を地中に導く管路と、空気流を地上に導く管路との内の少なくとも片方が、鉛直でなく傾斜していることを特徴とする、請求項１又は２に記載した空調設備用の熱交換器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、空調設備用の熱交換器、詳しくは、地下数メートル付近の土壌と空気流とを熱交換させて、空調設備用の冷気流及び／又は暖気流を得るための熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地下数メートルの付近では、四季や昼夜の別に拘わらず略一定の温度が保たれていることを利用し、地下に空気を流通させて、夏季は冷風を得、冬季は暖風を得る技術が公知であって、かかる技術は、地下定温利用の冷暖房空調装置に応用されている。
このように自然熱を利用した冷暖房は公害を発生させたり、資源を枯渇させたりする恐れが無い。
しかも、風力発電のように騒音を発生したり、天候の影響を受けたりせず、また、太陽光発電のように夜間休止したり、曇天で性能が低下したりしないので、自然熱を利用した冷暖房の改良発展に対する社会的な要請が大きい。
【０００３】
図６は、地下の冷／温熱を利用した空調設備用の熱交換器の公知例を示す模式図である。従来の空調設備用の熱交換器は、一般に図６に示すように構成されている。すなわち、床１の下方の地面に設けられた縦穴に、長さ４〜５メートルの外筒２が埋設されている。この外筒２の中に内管３が同心状に配設されている。前記外筒２の下端部は閉じられていて、送り込まれた空気流と熱交換するための水が、溜め水４として溜められている。家屋内の排気がブロワ５で集められ、矢印ａの方向に送出されて、矢印ｂの方向に内管３に入り、矢印ｃの方向に該内管３の中を通って下降する。下降流動した送風は溜め水４に吹き付けられて矢印ｄのように方向を変換し、矢印ｅの方向に外筒２の内壁面に沿って上昇する。そして、外筒２の中を通り抜けた送風は、矢印ｆの方向に床下に放出される。
【０００４】
図６から理解されるように、外筒２の下端付近に送り込まれた空気流は、溜め水４に衝突して塵埃が除去された後、矢印ｅの方向に外筒２の内壁面に沿って上昇しながら、冬季には加熱され、夏季には冷却される。地下数メートルの区域の温度はほぼ一定であり、例えば千葉気象台の観測によると、地表の月平均温度が５℃〜３０℃の変動（年間）を示す地点における地下３メートル点の年間変動は１６℃〜１８℃であった。
このようにして生活に快適な温度に調整された空気流が矢印ｆの方向に放出され、床１を通って室内に供給される。なお、図６に符号２ａを付して示したのは伝熱用のフィンである。
【０００５】
その他、空調設備用の熱交換器の具体例として、特許文献１には、先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめ、該外管の先端を下にして地下に埋入して、内管と外管の隙間に空気を流して地熱と熱交換させる構造の地中熱交換器であって、該外管の長さ方向に、底に広がる断面形状をもつ凹溝を複数形成し、該凹溝の中に、先端が横に広がる突起部を持つ金属の羽根の、該突起部を嵌合してなることを特徴とする地中熱交換器が開示されている。
【０００６】
また、特許文献２には、先端が封止され、他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめた二重管構造からなる地中熱交換器の、該外管の先端を下にして地下に埋入して、該外管と内管の隙間に空調空気を流して地熱と熱交換させた後、該空気を該外管の底に衝突させ、該内管の中を通ってＵターンさせる機構の地中熱交換器を利用した空調機構であって、該外管の底部に水を貯めて、該外管と内管の隙間から流入した空気を該外管の底部に貯めた水の液面に衝突させて該空気中の粉塵あるいは／および揮発性有機化合物を除去することを特徴とする地中熱交換器を利用した空調機構が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００７−１８３０２４号公報
【特許文献２】特開２００７−３０３６９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
図５に示したような公知の空調設備用の熱交換器によると、四季や天候の影響を受けることなく、しかも、極めて低廉なランニングコストで地下の冷／温熱を利用することができるので、このような空調設備用の熱交換器は、空調業界に歓迎され、全国的に施工されている。
しかしながら、本発明者は、多年の研究と経験に基づいて、前述した従来の空調設備用の熱交換器に、なお改良の余地が有ることを確認した。この点について、以下に詳述する。
【０００９】
前述した空調設備用の熱交換器においては、図５に示すように、矢印ｂの方向に送り込まれて、矢印ｃの方向に内管３の中を下降流動する空気流は、土壌との間で熱交換を行わない。その理由は、該内管３が土壌に接触していないからである。
したがって、送入空気流に対して地下定温がほとんど利用されず、その結果、矢印ｂの方向の送入空気流の温度と、矢印ｄのように反転する空気流の温度との違いは、溜め水４との間の熱交換を反映したものにすぎなかった。すなわち、地下数メートルまで送り込まれてから帰ってくる往復経路の内で、上昇空気流だけが土壌との間で熱交換され、下降空気流は土壌との間で熱交換されない。このため、従来の空調設備用の熱交換器では、その熱交換効率の向上の点で限界があった。
【００１０】
本発明は以上に述べた事情に鑑みて為されたものであって、その目的とするところは、空気流を地中に導く管路と、空気流を地上に導く管路とを設けて空気流と土壌との間で熱交換を行わせる空調設備用の熱交換器を改良して、その熱交換効率を格段に向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明者は、上記の目的を達成するために鋭意検討した結果、地下を移動する空気流に対し、地下の移動の全行程において土壌との間で熱交換を行わせること、換言すれば、地下において空気流を導く管状部材の全部を土壌と接触させることにより土壌との間で熱交換を行わせることを見い出し、かかる知見に基づいて本発明を完成するに至った。
【００１２】
上述した知見に基づく請求項１に係る発明の構成について、その１実施形態に対応する図２を参照して説明すると次のごとくである。なお、図面との対照を容易ならしめるため、図面の符号を付記するが、この符号は本発明の技術的範囲を図面どおりに限定するものではない。
熱交換器の本体をなす管状部材である本体管６の中に、該本体管の中心線（Ｚ）を通る面に沿って仕切り壁７を設けることによって、空気流を地中に導く管路と、空気流を地上に導く管路とを形成し、空気流を地中に導く管路の終点（下端部）と、地上に導く管路の始点（下端部）とを連通（Ｅｓ）させる。なお、辞書によれば「沿う」とは離れずに並んでいること、とされている。本発明において「中心線を通る面に沿う」とは、中心線の付近に在ることをいう。
【００１３】
請求項２に係る発明は、図３（Ｂ）に例示されるように、空気を地中に導く流路と、空気を地上に導く流路とが、互いに独立した略等径の管状部材によって構成され、かつ、空気を地中に導く管状部材である下降流管９の下端と、空気を地上に導く管状部材である上流流管１０の下端とが、管継手１１によって接続連通され、若しくは図４（Ｄ）に例示されるように、水平な管状部材である水平管１３によって接続連通されていることを特徴とする。
本発明において、管状部材が略等径であるとは、片方の管状部材（太い方）の中に他方の管上部材（細い方）を挿通できない寸法関係をいい、互いに独立とは挿通されていない状態をいう。
本発明における「水平な管状部材」は、測量学的に厳密な「水平」であることを要せず、「横方向の」という程の意であるが、強いていうなれば「管の両端の高低差が、管の長さの半分以下の状態である。
【００１４】
請求項３に係る発明は、図３（Ａ）に例示されるように、空気を地中に導く管状部材（例えば１２ａ）と、空気を地上に導く管状部材（例えば１２ｂ）との組が、複数組設けられていること、すなわち、分割管群１２を備えていることを特徴とする。
【００１５】
請求項４に係る発明は、図４（Ｂ）に例示されるように、空気流を地中に導く管路である下降流管９と、空気流を地上に導く管路である上流流管１０との内の少なくとも片方が、垂直でなく傾斜していることを特徴とする。
本発明において傾斜しているとは、地球を基準として水平面に垂直でないことをいう。
【発明の効果】
【００１６】
請求項１に係る発明を適用すると、その実施形態に対応する図１並びに図２を参照すれば容易に理解できるように、本体管６を仕切り壁７で縦割り形に仕切ることによって、下降空気流（矢印ｈ）の流路と上昇空気流の流路（矢印ｊ）とが形成され、下降空気流（矢印ｈ）は、本体管６の管壁を介して土壌に接触するとともに、上昇空気流（矢印ｊ）も、本体管６の管壁を介して土壌に接触するので、下降空気流、及び上昇空気流の両方が同時に、土壌との熱交換によって加熱または冷却される。
このため、片道のみ加熱または冷却されていた従来の空調設備用の熱交換器に比して、熱交換効率が格段に上昇する。
さらに、本発明に設けられた仕切り壁７は、補強部材としての効果を発揮し、本体管６を強固ならしめる。
このため、鉄鋼部材に比して材料強度は劣るが、熱伝導性能の高いアルミニウムなどの軽合金によって本体管６を形成しても、剛性をそれほど低下させることなく、一層、熱交換効率を向上させることができる。
また、本発明の熱交換器は、熱伝導性能の良いアルミニウム合金からなる伝熱リブ（フィン）を併用すると、さらに熱交換効率を向上させることができる。
【００１７】
請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明の改良発明としての意義を有し、請求項１に係る発明における「高い熱交換効率」及び「高い剛性」という効果を損なうことなく、市販されている管材を利用することができ、製造コストの低減や製品品質の均一性を達成できる。
【００１８】
請求項３に係る発明を適用すれば、設置した複数組の管状部材に対して空気流を直列に流通させることもでき、並列に流通させることもでき、直列、並列の切換え使用も可能である。
このため、空調設備用の熱交換器全体の設計的自由度が高められるという実用的効果を奏する。
【００１９】
請求項４に係る発明を適用すれば、例えば地下２〜３メートルに岩盤が在って、熱交換器の埋設深さが制限される場合も、所望の空気流路長さを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に係る２例の実施形態を示し、部分的に破断して描いた模式的な斜視図である。
【図２】本発明に係る熱交換器を設置した状態を示し、部分的に切断して描いた模式的な正面図である。
【図３】本発明に係る２例の実施形態を示し、（Ａ）は中間部を切り取って描いた模式的な斜視図、（Ｂ）は部分的に破断して描いた模式的な斜視図である。
【図４】前掲の図３（Ｂ）の変形例を部分的に破断して描いた模式的な斜視図である。
【図５】浅い岩盤が存在する場合に推奨される実施形態の４例を描いた模式的な垂直断面図である。
【図６】公知例の空調用熱交換器が設置されている状態を描いた模式的な垂直断面図に、作動を説明するための矢印を付記した図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
図１（Ａ）は本発明に係る熱交換器の１実施形態である。この実施形態においては、例えば、アルミニウム合金製の本体管６の中に、縦割り形の仕切り壁７が一体成形されている。
これによって、本体管６の内部空間は二つに仕切られるが、本体管６の下端部Ｅｓには仕切り壁７が省略されていて、仕切られた二つの空間は下端部で互いに連通している。
この図１（Ａ）の実施形態の部材を設置した状態を図２に示した。
図２に示すように、ブロワ５から送出された空気流（矢印ａ）は、矢印ｇの方向に本体管６の片方の空間に導かれて、矢印ｈの方向に下降流動し、本体管６の下端部Ｅｓで矢印ｉの方向に折り返して、矢印ｊの方向に他方の空間を上昇流動し、矢印ｋの方向に本体管６から放出される。
この間、矢印ｈの下降流動中も、矢印ｊの上昇流動中も、空気流は常に本体管６の管壁を介して土壌との間で熱交換されるので、夏季は冷却され、冬季は加熱されて生活適温になる。
本発明を実施する場合、本体管の下端部に水を溜めるという公知技術（図６参照）を適用することも可能であるが、必ずしも溜めるには及ばない。
【００２２】
図１（Ｂ）は、図１（Ａ）に示した実施形態の変形例である。この実施形態では、本体管６の中を縦割り形に仕切るという基本は、前述したものと同様であるが、仕切り壁が十字形に形成されている点に特徴がある。
図１（Ａ）の部材を用いて構成された図２の実施形態においては、矢印ｈ−ｉ−ｊのようにＵ字形の流路が形成されていたが、図１（Ｂ）の実施形態では２組のＵ字形流路が形成されている。
本実施形態を実施する場合、２組のＵ字形流路を直列に接続して空気を流すこともでき、並列にして空気を流すこともできる。
【００２３】
図３（Ａ）は前掲の図１（Ａ）の変形例である。図１（Ａ）の実施形態では１本の本体管６を仕切り壁７で区切って空気の下降流路と上昇流路とを形成したが、図３（Ａ）の実施形態では互いに独立した２本の管を平行に列設して下降流管９と上昇流管１０とを構成し、それぞれの管の下端同志を管継手１１によって接続連通した。
本例では、市販されているアルミニウム合金製の管材（ＪＩＳ規格品）を加工して下降流管９及び上昇流管１０を作成した。
本例によると、大量生産されたアルミニウム管材を用いるので製造コストが低廉であり、かつ、規格品を用いるので品質の均一性が保証される。
しかもアルミニウム合金に特有の良好な熱伝導性により、高い熱交換効率が得られる。
【００２４】
図３（Ｂ）に示した実施形態は、前掲の図１（Ｂ）に示した実施形態の変形例である。
双方の図面を対比して理解されるように図１（Ｂ）の十字仕切壁８を、本体管６と一緒に切り分ける形に４分割すると、図３（Ｂ）の分割管１２ａ〜分割管１２ｄが形成される。
分割管１２ａの下端と分割管１２ｄの下端とは、管継手として機能する曲管１８によって接続されている。同様に、分割管１２ｂの下端と分割管１２ｃの下端とは、管継手として機能する曲管２０によって接続されている。
更に、分割管１２ａの上端と分割管１２ｂの上端とは、管継手として機能する曲管１９によって接続されている。
ブロワ５から吐出された空気流を矢印ｍのごとく分割管１２ｄに導く。該分割管１２ｄを下降流動し終えた空気流を曲管１８に流入せしめて矢印ｎのようにＵターンさせ、分割管１２ａに導く。
分割管１２ａ内を上昇流動した空気流は曲管１９によって再びＵターンせしめられて、分割管１２ｂ内を下降流動し、矢印ｑのように三度目のＵターンをして分割管１２ｃに流入し、上昇流動して矢印ｒのように放出される。
【００２５】
図３（Ｂ）に示した実施形態においては、空気流が４本の分割管１２ａ〜分割管１２ｄ
を順次に流通した。すなわち４本の分割管が直列に接続されていた。
前記と同様な４本の分割管１２ａ〜分割管１２ｄを主要な構成部材として、図４のような実施形態を構成することもできる。
図４に示すように、ブロワ５から矢印ａの方向に吐出された空気流を、分岐管１７によって矢印ｇ１，矢印ｇ２のように分流させる。
分流した矢印ｇ１の空気流を分割管１２ａに流入させて矢印ｈ１の方向に下降流動させ、曲管１６により矢印ｉ１の方向に１回だけＵターンさせた後、分割管１２ｂに導いて矢印ｊ１の方向に上昇流動させ、矢印ｋ１の方向に放出させる。
一方、前記分岐管１７で分流した矢印ｇ２の空気流は、分割管１２ｄに流入させて下降流動させる。
図示を省略したが、分割管１２ｄの下端部と分割管１２ｃの下端部とは、前記曲管１６と同様の部材によって接続されている。
分割管１２ｄを流通した空気流は（上記の図示しない曲管によって）矢印ｉ２のように１回だけＵターンせしめられ、分割管１２ｃに流入して上昇流動し、矢印ｋ２のように放出される。
図３（Ｂ）の実施形態においても、図４の実施形態においても、４本の分割管１２ａ〜１２ｄのそれぞれが地中に埋設されて、その外周が土壌に接触しているので、上昇空気流と下降空気流との両方が土壌と熱交換される。このため、高い熱交換効率が得られる。
図３（Ｂ）の実施形態のように２組のＵターン流路を直列に接続するか、図４の実施形態のように２組のＵターン流路を並列に接続するかについては、空調の対象である家屋の状態やブロワの性能を考慮して選択することが望ましい。
【００２６】
本発明を実施する場合、通常の環境条件においては地下４〜５メートルの深さに埋設することが望ましい。しかしながら、地層の状態によっては４〜５メートルの埋設深さを得ることができない。例えば、地下３メートル付近に岩盤が存在するような場合である。
岩盤などによって埋設深さを制約される場合に好適な実施形態を図５に示す。
図５（Ａ）に示すように、岩盤Ｒが浅い箇所に在る場合、複数本の下降流管９と複数本の上昇流管１０とを埋設する。これらの下降流管９及び上昇流管１０は、図３（Ａ）におけると類似の構成部材であって、その長さ寸法は岩盤の深さに応じて適宜に設定する。
これらの下降流管９及び上昇流管１０を順次に接続して、図５（Ａ）のごとくＷ字状の流路を形成する。
これにより、熱交換器の埋設深さに比して複数倍の流路長さが形成され、所望の熱交換効率が得られる。
【００２７】
地下の比較的に浅い箇所に岩盤が存在するため、埋設深さが不足気味である場合、図５（Ｂ）の実施形態が好適である。
図３（Ａ）におけると類似の下降流管９及び上昇流管１０を、図５（Ｂ）のごとく傾斜させて埋設する。
これにより、熱交換器の埋設深さに比して数割増しの流路長さが形成され、所望の熱交換効率が得られる。
同様の原理により、図５（Ｃ）のように２本の傾斜管１４をＶ字形に埋設しても良い。これによっても、熱交換器の埋設深さに比して数割増しの流路長さが形成され、所望の熱交換効率が得られる。
【００２８】
岩盤が浅い箇所に存在し、かつ地下水レベルが岩盤よりも上方である場合、図５（Ｄ）の実施形態が推奨される。
図３（Ａ）におけると類似の下降流管９及び上昇流管１０を、岩盤Ｒよりも上方の区域に埋設するとともに、下降流管９の下端と上昇流管１０の下端とを水平管１３によって接続連通させる。
管状部材の中を通る空気流が管壁を介して外側の物質と熱交換するとき、外側の物質が通常の含水率を有する一般土砂である場合よりも、外側の物質が砂礫を取り巻く水である場合は、熱的な接触が濃厚である（伝熱抵抗が小さい）。
これにより、熱交換器の埋設深さに比して格段に高い熱交換効率が得られる。
【符号の説明】
【００２９】
１…床
２…外筒
２ａ…伝熱フィン
３…内管
４…溜め水
５…ブロワ
６…本体管
７…仕切り壁
８…十字仕切り壁
９…下降流管
１０…上昇流管
１１…管継手
１２…管群
１２ａ〜１２ｄ…分割管
１３…水平管
１４…傾斜管
Ｅｓ…外筒の下端部
Ｒ…岩盤
Ｓ…一般土砂
Ｗ…地下水面
【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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