(57)【要約】【課題】ケーシングに掘削機能をもたせて掘削能率を高め、穴壁の崩れを防止して高速で掘削穴を形成するようにした。【解決手段】本発明の地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置は、回転駆動手段５により回転駆動する中空のケーシング７の地中側端部側にリングビット１０を設け、安定して大きい穴の掘削を可能にした。端部にハンマービット９を有し、上部にハンマーの跳ね上がりを抑えるためのウェイトを配置して下方向に打撃を発生させるエアーハンマー装置８をケーシング７内部に内装する構成とした。ケーシング７とエアーハンマー装置８とを係脱可能とする結合部１６を設け、ケーシング７とエアーハンマー装置８の一体動作で、地中熱交換器設置穴形成のための掘削を行う。【選択図】図３
2013124535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転駆動手段（５）により回転駆動する中空のケーシング（７）内に、下端部にハンマービット（９）を有し、上部にハンマーの跳ね上がりを抑えるためのウェイトを配置して下方向に打撃を発生させるエアーハンマー装置（８）を内装して、地中熱交換器設置穴を掘削する掘削装置において、
前記ケーシング（７）の地中側の下端部に配置され、前記ハンマービット（９）の設置部位に一致させて設置されるリングビット（１０）と、
前記ケーシング（７）と前記エアーハンマー装置（８）とに跨って設けられ、前記ケーシング（７）と前記エアーハンマー装置（８）の一体動作で前記地中熱交換器設置穴の掘削を行うために結合される結合部（１６）と
からなる地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置。
【請求項２】
請求項１に記載された地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置において、
前記結合部（１６）は、
前記ケーシング（７）内径部に設けられた第１結合部（７ａ）と、前記エアーハンマー装置（８）の外径部に設けられ前記第１結合部（７ａ）に突き当て自在な第２結合部（８ａ）とを有し、
前記ケーシング（７）と前記エアーハンマー装置（８）が共に一体回転可能で、かつ回転方向の相対移動で両者を突き当てたとき上下方向の相対移動を拘束し、突き当てを解除したとき上下方向の相対移動が可能となる構成である
ことを特徴とする地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置。
【請求項３】
請求項１に記載された地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置において、
前記結合部（１６）は、
前記ケーシング（３０）内径部に設けられた第１結合部（３１）と、
前記エアーハンマー装置（３４）の外径部に設けられ前記第１結合部（３１）に突き出し結合自在な第２結合部（３３、３２）とを有し、
前記ケーシング（３０）と前記エアーハンマー装置（３４）が共に一体回転可能で、かつ前記第２結合部（３３，３２）が突き出したとき上下方向の相対移動を拘束し、第２結合部（３３，３２）が引っ込んだとき上下方向の相対移動が可能となる構成である
ことを特徴とする地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置。
【請求項４】
請求項１から３に記載された地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置の選択される１項において、
前記ケーシング（７）及び前記エアーハンマー装置（８）は、掘削機械（１）のリーダー（２）に設置された昇降駆動手段と回転駆動手段（５）により掘削を行うことを特徴とする地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置。
【請求項５】
請求項１から４に記載された地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置の選択される１項において、
前記リングビット（１０）は支持部材（１１）を介して前記ケーシング（７）に取り付けられている構成である
ことを特徴とする地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置。
【請求項６】
請求項１から５に記載された地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置の選択される１項において、
前記リングビット（１０）は前記支持部材（１１）に対し前記ケーシング（７）の掘削方向に沿って移動が可能な構成である
ことを特徴とする地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置。
【請求項７】
請求項１から６に記載された地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置の選択される１項において、
前記エアーハンマー装置（８）は、前記第１結合部（７ａ）と前記第２結合部（８ａ）とが離脱したとき着脱自在な係合部材（１５）を介して、前記掘削機械（１）の昇降駆動手段の駆動により前記ケーシング（７）に離間して引き上げられる構成である
ことを特徴とする地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置。
【請求項８】
請求項１から６に記載された地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置の選択される１項において、
前記回転駆動手段（５）は、前記掘削機械（１）のリーダー（２）に対して移動可能な案内台（４）に設けられている構成である
ことを特徴とする地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置。
【請求項９】
請求項１から６に記載された地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置の選択される１項において、
前記ケーシング（７）は、前記回転駆動手段（５）側の把持部を介して、前記掘削機械（１）の昇降駆動手段により引き上げられる構成である
ことを特徴とする地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置。
【請求項１０】
回転駆動手段（５）により回転可能な中空のケーシング（７）内に、端部にハンマービット（９）を有しハンマーの跳ね上がりを抑えるために上部にウェイトを配置して下方向に打撃を発生させるエアーハンマー装置（８）を内装して、地中熱交換器設置穴を掘削する掘削方法において、
前記ケーシング（７）内に端部にハンマービット（９）を有するエアーハンマー装置（８）を挿入するとともに、前記ケーシング（７）端にリングビット（１０）を固定する工程と、
前記ケーシング（７）に設けられた第１結合部（７ａ）と前記エアーハンマー装置（８）に設けられた第２結合部（８ａ）を結合させ両者を一体化させる工程と、
前記ケーシング（７）を一方向に回転させながら前記エアーハンマー装置（８）で打撃を与え、前記リングビット及び前記ハンマービットで地中の所定深度まで掘削する工程と、
所定深度まで掘削後、前記ケーシング（７）と前記エアーハンマー装置（８）の結合を解除し、前記エアーハンマー装置（８）を地上に引き上げる工程と、
前記ケーシング内に地中熱交換器を挿入、埋設する工程と、
前記ケーシング（７）を地上に引き上げ、前記地中熱交換器を掘削穴に設置する工程と
からなる地中熱交換器設置穴形成のための掘削方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、住宅地等の地盤の地中に地中熱交換器を設けるための掘削装置とその掘削方法に関する。更に詳しくは、住宅地等の地盤にケーシングとエアーハンマー装置を一体にして地中熱交換器設置穴形成のための掘削を施す掘削装置とその掘削方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地中熱は、年間を通して温度が一定であることから、種々の分野に既に利用されている。この地中熱を利用するためには、地盤に穴を掘削することが必要である。掘削施工については、一般に従来から住宅地やビル建設地等の地盤を含め多くの地盤に対し行われている。例えば杭の形成として、掘削した穴にモルタルやコンクリートを流し込み硬化させて基礎杭等とする方法が提案され実施されている。又、井戸のために掘削装置を利用して掘削を行うことも行われている。
【０００３】
一般的に簡易な掘削方法として、掘削した穴に直接コンクリート等を流し込み硬化させて基礎杭等とするもの、あるいは掘削した穴そのものを井戸として利用することがあるが、地盤が軟弱の場合には安定した掘削穴が形成されない欠点がある。このようなことから、最近は特に軟弱地盤を考慮した二重管方式の掘削方法が注目され多くの提案がなされている。この方式は、掘削装置の外周にケーシングを設けて掘削を施工するものである。
【０００４】
即ち、掘削後であっても一時的にケーシングを地盤に残して穴形状を維持し、掘削穴を形成するものである。これにより掘削後であっても穴の壁面の崩れを防止でき、安定した形状の掘削穴が形成できる。例えば、外側にケーシングを有して、エアーハンマーにより打撃を加えると同時に下部に設けられたビットを回転させて掘削し、掘削後はビットデバイスのみを上方に引き上げケーシングのみ地中に残し、この中にコンクリート等を充填させ基礎杭等を形成する技術が知られている（例えば、特許文献１参照）。この例のケーシングは、掘削穴の壁面の崩れ防止の機能のみを有するものである。
【０００５】
又、ケーシング内にエアーハンマー装置を内装して掘削する構成のものであるが、ケーシングを残した状態で、ハンマー装置をラッチを開いた後オーバーショットヘッドの利用で、ウィンチを介して引き上げる構成のものがアンカーボルト等の埋設工事に適用される例が知られている（例えば、特許文献２参照）。
【０００６】
又、地熱エネルギー回収用熱交換器の地中設置工事の穿孔例であるが、クレーン車を利用し、ワイヤにより吊り下げ、中空管の上部にバイブロハンマーを取り付けて掘削する例が開示されている（例えば、特許文献３参照）。この掘削工法は気水噴流を使用して掘削するもので、所定深度に達すると中空管を引き抜き熱交換器を埋設するものである。この掘削工法は中空管を使用するものの、いわゆる中空管を埋設しての二重管方式のものではない。この掘削工法においても、中空管自体は掘削機能を有するものではない。
【０００７】
この工法は、地中熱交換器設置用の掘削であるが、気水噴流供給装置を設けることで設備のコストが高価になっている。又、掘削ロッドと熱交換用の管を兼用するシステムも知られているが、この掘削工法もジェット噴流で地盤を掘削し熱交換井戸を形成するものである（例えば、特許文献４参照）。更に、掘削した穴に対する地中熱交換器の埋め込み方法として、Ｕ字管を重ね合わせるようにして埋め込む方法も提案されている（例えば、特許文献５参照）。
【０００８】
更に、ダウンザホールハンマの掘削装置が開示されているが、鋼管杭の内部に挿通されるもので、外筒と内筒で構成されるロッドをエアーハンマーの上部に設け、内筒を相対的に上下移動可能に構成されたものである（例えば、特許文献６参照）。この例の掘削装置は、鋼管杭の内部に挿通されて掘削する技術として開示されている。
【０００９】
このように二重管方式の掘削装置の大半は、掘削装置をケーシング内部に有し、掘削装置端部のビットで掘削する装置である。外側のケーシングは掘削穴の地盤崩れを防止する機能のものである。このため、軟弱地盤の場合は、ケーシングをハンマー装置等の振動を伴う掘削装置で押し込んでいくものである。この場合、ケーシング内の掘削装置でケーシングの掘削方向直下の地盤まで掘削する方が掘削効率が向上するので、例えば、前述の従来の技術では、特許文献１で示すように掘削過程で内部の掘削装置のビットの一部を拡開して掘削させることを行っている。この例では、エアーハンマー装置は、回転するとともにエアーにより振動を加えて掘削を行う装置である。このため、構成が複雑になりコストアップになっていた。
【００１０】
このように二重管方式で掘削を行う場合は、ケーシングを含めて掘削装置全体を地中に埋設しながら掘削を行うが、掘削後はケーシングを中空にして先ず掘削装置のみを地上に引き上げることが行われている。鋼管杭のように地中に掘削後そのまま残すこともあるが、杭設置や井戸等の場合は、後でケーシングを地上に回収しなければならない。従来のケーシングの埋設方法は、掘削装置で押し付けられながら地中に押し込んでいく方法である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平１０−２６６１９７号公報
【特許文献２】特開平７−３７８７号公報
【特許文献３】特開２００３−８２９７０号公報
【特許文献４】特開２００４−２００１７号公報
【特許文献５】特開２００１−１７４０７３号公報
【特許文献６】特開２００７−３１４９５９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
前述したように、従来のケーシングの機能は掘削穴の崩れを防止するのみのものであった。ケーシング自体に掘削機能を有するものでなかった。このように、従来の技術で施こされた掘削穴に地中熱交換器を設置することは可能であるが、掘削費用が高価なものになっている。特に、地中熱交換器は、地中熱交換器を構成する配管構成（例えば、Ｕチューブ等）のものを埋設するので、ある程度の大きさの穴が必要である。
【００１３】
このためケーシングも大きなものとなるが、従来のケーシング打ち込みであると、ケーシングそのものを掘削装置で押し込むことになるので、ケーシングの押し込み抵抗が大きくなり掘削が安定していなかった。しかも、地中熱交換器を住宅用のシステムとして設置する場合は、できるだけ簡易でコストダウン化されたものが要求される。本発明は、前記した課題を解決するためになされたもので、下記の目的を達成する。
【００１４】
本発明の目的は、ケーシングに掘削機能をもたせて掘削能率を高めると同時に、掘削穴の崩れを防止して地中熱交換器の埋設を可能にした、地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置とその掘削方法を提供することにある。
本発明の他の目的は、ケーシングと内部に挿通されるエアーハンマー装置との間に係脱可能で簡素な結合部を設ける構成にして、ケーシングからエアーハンマー装置を離脱させ容易に地上に引き上げられる構成にした、地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置とその掘削方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明は、前記目的を達成するために次の手段をとる。
本発明１の地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置は、
回転駆動手段により回転駆動する中空のケーシング内に、下端部にハンマービットを有し、上部にハンマーの跳ね上がりを抑えるためのウェイトを配置して下方向に打撃を発生させるエアーハンマー装置を内装して、地中熱交換器設置穴を掘削する掘削装置において、前記ケーシングの地中側の下端部に配置され、前記ハンマービットの設置部位に一致させて設置されるリングビットと、前記ケーシングと前記エアーハンマー装置とに跨って設けられ、前記ケーシングと前記エアーハンマー装置の一体動作で前記地中熱交換器設置穴の掘削を行うために結合される結合部とからなる。
【００１６】
本発明２の地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置は、本発明１において、
前記結合部は、前記ケーシング内径部に設けられた第１結合部と、前記エアーハンマー装置の外径部に設けられ前記第１結合部に突き当て自在な第２結合部とを有し、前記ケーシングと前記エアーハンマー装置が共に一体回転可能で、かつ回転方向の相対移動で両者を突き当てたとき上下方向の相対移動を拘束し、突き当てを解除したとき上下方向の相対移動が可能となる構成であることを特徴とする。
【００１７】
本発明３の地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置は、本発明１において、
前記結合部は、前記ケーシング内径部に設けられた第１結合部と、前記エアーハンマー装置の外径部に設けられ前記第１結合部に突き出し結合自在な第２結合部とを有し、前記ケーシングと前記エアーハンマー装置が共に一体回転可能で、かつ前記第２結合部が突き出したとき上下方向の相対移動を拘束し、第２結合部が引っ込んだとき上下方向の相対移動が可能となる構成であることを特徴とする。
【００１８】
本発明４の地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置は、本発明１から３において、
前記ケーシング及び前記エアーハンマー装置は、掘削機械のリーダーに設置された昇降駆動手段と回転駆動手段により掘削を行うことを特徴とする。
本発明５の地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置は、本発明１から４において、
前記リングビットは支持部材を介して前記ケーシングに取り付けられている構成であることを特徴とする。
【００１９】
本発明６の地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置は、本発明１から５において、
前記リングビットは前記支持部材に対し前記ケーシングの掘削方向に沿って移動が可能な構成であることを特徴とする。
本発明７の地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置は、本発明１から６において、
前記エアーハンマー装置は、前記第１結合部と前記第２結合部とが離脱したとき着脱自在な係合部材を介して、前記掘削機械の昇降駆動手段の駆動により前記ケーシングに離間して引き上げられる構成であることを特徴とする。
【００２０】
本発明８の地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置は、本発明１から６において、
前記回転駆動手段は、前記掘削機械のリーダーに対して移動可能な案内台に設けられている構成であることを特徴とする。
【００２１】
本発明９の地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置は、本発明１から６において、
前記ケーシングは、前記回転駆動手段側の把持部を介して、前記掘削機械の昇降駆動手段により引き上げられる構成であることを特徴とする。
【００２２】
本発明１０の地中熱交換器設置穴形成のための掘削方法は、
回転駆動手段により回転可能な中空のケーシング内に、端部にハンマービットを有しハンマーの跳ね上がりを抑えるために上部にウェイトを配置して下方向に打撃を発生させるエアーハンマー装置を内装して、地中熱交換器設置穴を掘削する掘削方法において、前記ケーシング内に端部にハンマービットを有するエアーハンマー装置を挿入するとともに、前記ケーシング端にリングビットを固定する工程と、前記ケーシングに設けられた第１結合部と前記エアーハンマー装置に設けられた第２結合部を結合させ両者を一体化させる工程と、前記ケーシングを一方向に回転させながら前記エアーハンマー装置で打撃を与え、前記リングビット及び前記ハンマービットで地中の所定深度まで掘削する工程と、所定深度まで掘削後、前記ケーシングと前記エアーハンマー装置の結合を解除し、前記エアーハンマー装置を地上に引き上げる工程と、前記ケーシング内に地中熱交換器を挿入、埋設する工程と、前記ケーシングを地上に引き上げ、前記地中熱交換器を掘削穴に設置する工程とからなる。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置とその掘削方法は、ケーシングにビットを設ける構成にし、ケーシング側に掘削能力をもたせて掘削能率を高めることができるとともに、ケーシング内に地中熱交換器を設置後、ケーシングを引き上げる掘削方法になっているために、掘削穴の崩れを防止して地中熱交換器を埋設できるようになった。又、ケーシングと内部に設けられるエアーハンマー装置との間に係脱可能で簡素な結合部を設ける構成にし、結合状態で掘削し地中熱交換器用設置穴を形成できるとともに、掘削終了後、結合解除してエアーハンマー装置を地上に引き上げ、回収できるようにした。更に、掘削はリーダーを有する掘削機械の機能と装置を利用して行えるようにしたので、掘削効率を高めることができるようになった。
【００２４】
本発明の地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置とその掘削方法は、地中熱交換器を低価格で設置することができ、自然エネルギーを利用し、ＣＯ２排出量の少ない再生可能エネルギーの一つとして期待されている地中熱ヒートポンプシステムの普及拡大に貢献することができる。又、この掘削装置とその掘削方法は、一般住宅向けの地中熱ヒートポンプシステムに適用することができるので、この面でも普及拡大に貢献できる。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】図１は、本発明の掘削装置で掘削した地中熱交換器設置穴に地中熱交換器を埋設した地中熱ヒートポンプシステムを備えた住宅を模式的に示した説明図である。
【図２】図２は、本発明の掘削装置を組み込んだ掘削機械の全体図である。
【図３】図３は、掘削装置の詳細を示す断面図である。
【図４】図４は、図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図５は、図３のＢ−Ｂ断面図である。（イ）はロッドとエアーハンマー装置が結合した場合の構成を示し、（ロ）は、ロッドとエアーハンマー装置の結合が解除された場合の構成を示している。
【図６】図６は、図５（イ）のＣ−Ｃ断面図である。
【図７】図７は、下部にリングビットが嵌め込まれ、地上に設置されたエアーハンマー装置にケーシングを被せる直前の状態を示す工程図である。
【図８】図８は、エアーハンマー装置にケーシングを被せた状態を示す工程図である。
【図９】図９は、掘削装置が所定深度まで掘削した状態を示す工程図である。
【図１０】図１０は、結合を解除したモータをケーシングから退避させた状態を示す工程図である。
【図１１】図１１は、ワイヤを介してオーバーショットヘッドをケーシング内に吊り降ろし、エアーハンマー装置の係合部に係合させた状態を示す工程図である。
【図１２】図１２は、エアーハンマー装置をケーシングから地上へ引き上げた状態を示す工程図である。
【図１３】図１３は、地中のケーシング内に地中熱交換器を挿入している状態を示す工程図である。
【図１４】図１４は、掘削された地中熱交換器用設置穴に地中熱交換器が埋設された状態を示す工程図である。
【図１５】図１５は、他の実施の形態を示す掘削装置の断面図である。
【図１６】図１６は、図１５のＤ−Ｄ断面図である。
【図１７】図１７は、図１６のＥ−Ｅ断面図である。（イ）は結合時の構成を示し、（ロ）は結合解除時の構成を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明に関する装置の実施の形態を、図面に基づいて詳細に説明する。本発明は、地中熱交換器を地中に埋設する地中熱交換器設置穴形成のための掘削装置とその掘削方法である。地中熱の利用は前述のように、種々の適用例があるが、本実施の形態は一戸建ての一般住宅に適用して説明する。図１は、本発明の掘削装置で掘削した住宅敷地内の地中熱交換器設置穴に地中熱交換器を埋設した地中熱ヒートポンプシステムを備えた住宅を模式的に示した説明図である。
【００２７】
地中熱ヒートポンプシステムＹは、地中に埋設され、地中と熱交換を行うための地中熱交換器、この地中熱交換器で採熱された熱を熱源としてさらに高温又は低温の熱を造成するヒートポンプＰ、ヒートポンプＰで造成された熱を熱源として冷暖房、融雪等を行うための熱負荷部等から構成されている。地中熱交換器である地中熱交換パイプＵは、掘削された地中熱交換器用設置穴（以下、掘削穴と記載する）Ｘ内に充填されたグラウトＧｒに埋設されている。地中熱交換パイプＵを含む一次側熱媒体流路内には、一次側循環流体が循環し、地中との熱交換することで、地中熱を採熱、放熱するためのものである。掘削された掘削穴Ｘに埋設された地中熱交換パイプＵは、樹脂（例えば、ポリエチレン）製のＵチューブ、ステンレス製のパイプ等からなるものである。一次側循環流体は、ポンプ（図示せず）の作用によって、地中熱交換パイプＵを含む一次側熱媒体流路内を循環する。
【００２８】
地中の温度は、一年を通して、ほぼ一定である１０〜１５℃の恒温状態にある。ヒートポンプＰは、地中と熱交換した一次側循環流体を熱源として、冬は一次側循環流体より高い温熱エネルギーを、夏は一次側循環流体の温度より低い冷熱エネルギーを造成する。造成された冷熱エネルギー又は温熱エネルギーは、二次側熱媒体流路Ｚを循環する二次側循環流体を介して、冷暖房装置、給湯装置等に送られる。例えば、一般家庭においては、床暖房用循環流路ＦＨ、ファンコイルユニットＦＣ、給湯装置ＨＷを図１に示すように配置し、冷熱エネルギー又は温熱エネルギーは、部屋の冷暖房、給湯等に利用される。
【００２９】
冬季の場合、ファンコイルユニットＦＣ、床暖房ＦＨ、パネルヒーター等による暖房の温熱エネルギーに有効である。又、夏季の場合、ファンコイルユニットＦＣ等による冷房に有効である。このヒートポンプＰは、１次側熱交換部、２次側熱交換部、圧縮部（圧縮機）、膨張部（膨張弁）等から構成されている周知なものである。ヒートポンプＰは、加熱サイクルでは１次側熱交換部が蒸発器、２次側熱交換部が凝縮器に、冷却サイクルでは１次側熱交換部が凝縮器、２次側熱交換部が蒸発器となる。日本では、一般住宅に、このような地中熱の自然エネルギーを利用することは、掘削穴Ｘを掘削するコスト等が高価であるため普及が進んでいない。特に、一般家庭用の地中熱ヒートポンプシステムＹでは、簡易で、低コストで地中熱交換器用設置穴が掘削できるものでなければならない。本発明はこの課題を解決するための掘削装置とその掘削方法を提供するものである。次に、地中熱交換器設置のための穴を掘削する掘削装置とその掘削技術について、図２〜１４に基づいて説明を行う。
【００３０】
掘削穴Ｘを形成する形態は種々あるが、本実施の形態においては、ケーシングを使用しての二重管方式の掘削工法で掘削する装置として説明する。地中熱交換器設置のための掘削穴Ｘの掘削は、リーダー型掘削機械で行うので、先ずこの機械の基本構造を図２において説明する。この掘削機械１は、地盤改良等で幅広く使用されているものであり、本実施の形態が特に住宅地の地盤を対象にしているので、比較的小型の掘削機械である。掘削機械１は、クローラで任意位置への自力移動が可能であり、所定位置に達し掘削作業に取り掛かるときには、リーダー２を油圧シリンダー３の駆動で垂直に立てて行う。
【００３１】
リーダー２には案内台４が設けられ、この案内台４はリーダー２上を上下方向に移動可能である。通常、この案内台４の移動は、掘削機械１に設けられたフィード用油圧モータの回転動作により駆動されるチェーンを介して行われる。フィード用油圧モータ、チェーン等により昇降駆動手段が構成されている。案内台４にはケーシング７を回転させるためのモータ（回転駆動手段）５が設けられている。又、リーダー２の下部には、ケーシング７を下方で支持するための支持体６が設けられている。又、図示していないが圧縮空気を供給する圧縮空気供給装置がこの掘削機械１の近辺に設けられている。
【００３２】
掘削機械１はこのような構成になっていて、掘削の際にはモータ５に設けられたチャックである把持部にケーシング７を把持させる。ケーシング７は、昇降駆動手段のフィード用油圧モータ、チェーンで直線駆動される案内台４を介して上下方向に移動され、かつ内蔵されているモータ５により回転駆動される。図３は、掘削装置の詳細を示す断面図である。この図３に示すように、エアー衝撃により掘削を行うエアーハンマー装置８が別に設けられていて、ケーシング７の中空部に挿入される構成になっている。このエアーハンマー装置８の下端部には、ハンマービット９が固定配置されている。
【００３３】
このエアーハンマー装置８は、圧縮空気供給装置から圧縮空気を図３に示す矢印のように上部から受け入れ、ハンマーを振動させ衝撃を加える構成になっている。すなわち、エアーハンマー装置８は、圧縮空気によって作動するピストンの打撃作用をハンマービット９に伝達させて掘削を行うものである。このエアーハンマー装置８の構造、機能は公知なので、本実施の形態では詳細な説明は省略する。エアーハンマー装置８の上部には、ハンマービット９の跳ね上がりを抑えるためのウェイト８ｗが配置されている。ケーシング７の下端部には、リングビット１０が取り付けられている。リングビット１０はケーシング７と一体化されており、ケーシング７自体にも掘削機能を持たせるものである。
【００３４】
このように本実施の形態に関わる掘削装置は、主にこのケーシング７とエアーハンマー装置８を中心に構成され、その詳細は図３に示す構造となっている。ケーシング７は中空管で深度が深くなると、ねじ締結で継ぎ足し可能な構成になっている。このケーシング７内に挿入されるエアーハンマー装置８は、下端部にハンマービット９が固定されている。エアーハンマー装置８は、ウェイト８ｗを有していて、前述のようにエアーの供給を受けて振動させてハンマーに衝撃を加えて掘削を施すものである。
【００３５】
又、前述のようにケーシング７の下端部にはリングビット１０が設けられていて、エアーハンマー装置８のハンマービット９と共に、リングビット１０の歯を利用して掘削を行う。リングビット１０の内径段差部には、ハンマービット９の外径段差部が当接していて、ハンマービット９の動作にリングビット１０も追従するようになっている。リングビット１０は、上部側の外周部に所定の角度毎に外周凹凸面が形成されている。管状部材である支持部材１１の下端側の内周部には、リングビット１０の外周凹凸面と係合する内周凹凸面が形成されている。このリングビット１０の外周凹凸面と支持部材１１の内周凹凸面とが係合している構成によって、リングビット１０は、支持部材１１に対して上下方向移動自在に、かつ支持部材１１と一体に回転可能な構成となっている。言い換えると、図４に示すように、リングビット１０の軸部と支持部材１１の穴部とが凹凸状態で結合、いわゆるスプライン結合されている。すなわち、リングビット１０と支持部材１１との間では、回転力の伝達を行うとともに、上下方向の相対移動が可能である。
【００３６】
一方、支持部材１１には図３、４に示すようにピン１２が設けられていて、リングビット１０の軸部の凸部に形成された長溝に係合しているため、リングビット１０の支持部材１１に対する上下方向の移動を規制し、支持部材１１からリングビット１０が離脱しないように取り付けられている。リングビット１０はケーシング７に対しては、この支持部材１１を介在して取り付けられている。
【００３７】
このようにして、リングビット１０は、所定範囲で上下方向移動は可能であるものの、回転方向は支持部材１１と一体的に回転する構成となっている。この支持部材１１はケーシング７にねじ締結されている。又、支持部材１１の上部側の内周面には、Ｏリング１３が配置されており、支持部材１１とエアーハンマー装置８との間は、このＯリング１３によりシールされている。
【００３８】
リングビット１０はこのような構成になり、ケーシング７の下端にリングビット１０を配置したことで、ケーシング７が回転することにより、ケーシング７側でも掘削能力を有することになり、掘削装置全体の掘削能力を高めることになる。従って、掘削穴Ｘが大きくなってもケーシング７側に掘削機能を有することで、掘削穴Ｘの強制的掘削が可能である。このため地中熱ヒートポンプシステムＹの性能に対応した地中熱交換パイプＵを埋設するための掘削穴Ｘの掘削が簡易な構成で可能である。
【００３９】
Ｏリング１３というシール機構を設けたことで、ケーシング７とエアーハンマー装置８との相対移動があっても、供給されたエアーハンマー駆動用の高圧エアーが外部に漏れないようになっている。又、高圧エアー供給が停止した場合でも、掘削で生じる泥水等の異物がケーシング７内に侵入するのを防止できるようになっている。エアーハンマー装置８の上部は係合部１４となっていて、後述する引き上げのためのオーバーショットヘッド１５が係合するようになっている（図１１参照）。
【００４０】
ケーシング７及びエアーハンマー装置８の下方位置には、両者を結合させるための結合部１６が配置されている。この詳細は図５、図６に示されている。ケーシング７内孔である内径部には、ケーシング７の一部が第１結合部７ａとして、内側に張り出している。この第１結合部７ａは、ケーシング７の内孔の周面である内壁に凸部が形成されたもので、上部がロッド上部凸部７ｂとして、その下部に一部えぐられた凹部を有するロッド下部凸部７ｃを形成している。この第１結合部７ａは、ケーシング７内周に等角度間隔に４ヶ所設けられている。
【００４１】
一方、エアーハンマー装置８の外周面には、この第１結合部７ａに対応して第２結合部８ａが設けられている。この第２結合部８ａは、外周にハンマー側凸部８ｂが等角度間隔で４ヶ所に形成されていて、各々がケーシング７の第１結合部７ａに対応するようになっている。結合の際には、図５（イ）に示す矢印のように、ケーシング７を一方向に回転させ、第１結合部７ａと第２結合部８ａとを結合させる。
【００４２】
即ち、図５（イ）で示すように、第２結合部８ａのハンマー側凸部８ｂが第１結合部７ａのロッド下部凸部７ｃの凹部に嵌り込み、ハンマー側凸部８ｂの側壁がロッド下部凸部７ｃの凹部に当接する。このときハンマー側凸部８ｂの上部は第１結合部７ａのロッド上部凸部７ｂに規制され、ハンマー側凸部８ｂの下部は支持部材１１の端部に当接し規制される。従って、相対的な上下方向移動と回転方向移動が制約される構成となる。
【００４３】
この状態において、一方向（図５（イ）に示す矢印方向）に回転動作を与えている間は、ケーシング７とエアーハンマー装置８とは、第１結合部７ａと第２結合部８ａとが結合する状態となり一体化する。この構成により、ケーシング７とエアーハンマー装置８は一体となって回転し掘削することができる。次にこの状態を解除する場合は、ケーシング７を他方向（図５（ロ）に示す矢印方向）に逆回転させ、図５（ロ）に示す状態にする。
【００４４】
この状態になることで、第２結合部８ａのハンマー側凸部８ｂが、第１結合部７ａのケーシング下部凸部７ｃの凹部から離れ、同時にハンマー側凸部８ｂの上部も第１結合部７ａのケーシング上部凸部７ｂから離れる。これにより第１結合部７ａと第２結合部８ａとの結合が解除され、エアーハンマー装置８はケーシング７との間で、上下方向に相対移動が可能となる。ケーシング７とエアーハンマー装置８を中心とする掘削装置は以上のような構成になるが、次に掘削方法について、図７〜１４に基づいて説明を行う。
【００４５】
［掘削方法］
図７に示す状態は、掘削機械１によって地上で、エアーハンマー装置８をケーシング７内に挿入する直前の工程を示している。図７の右側には、エアーハンマー装置８等の拡大図である。エアーハンマー装置８は自重及びウエイト８ｗの重量で地盤上に載置された状態で、このエアーハンマー装置８の下部側には、支持部材１１とリングビット１０とが設けられている。この支持部材１１の上端は、エアーハンマー装置８のハンマー凸部８ｂの下端に当接していて、又、エアーハンマー装置８のハンマービット９とリングビット１０の歯の位置は、ハンマービット９がリングビット１０に当接状態で地面に一致している。
【００４６】
地盤上に載置されたケーシング７をモータ（回転駆動手段）５の把持部で把持させる。昇降駆動手段のフィード用油圧モータを駆動させ、リーダー２の案内に沿って、モータ５が設けられた案内台４を上昇させる。地上に載置されたエアーハンマー装置８の上方にケーシング７が位置するように掘削機械１を移動させる。フィード用油圧モータを駆動させ、エアーハンマー装置８に被せる形で、案内台４を介してケーシング７をリーダー２の案内に沿って徐々に上方から下降させる。続いて、ケーシング７の端部が支持部材１１に到達したとき、ケーシング７をモータ５で回転させ、ケーシング７の下端部の雌ねじを、支持部材１１の雄ねじにねじ込む。このとき、支持部材１１はチェーントング等を用い回転しないように固定しておき、ケーシング７と支持部材１１とが弛まないようにねじ込む。
【００４７】
又、このケーシング７の回転により、ケーシング７の第１結合部７ａと、エアーハンマー装置８の第２結合部８ａとが結合される。ねじ締結後、リングビット１０も連れ回りで回転するようになれば、回転動作を停止する。支持部材１１に対しケーシング７のねじ込みが完了すると、図８の状態になる。又、このときのケーシング７とエアーハンマー装置８の関係は、図５（イ）の状態になり、第１結合部７ａと第２結合部８ａが結合した状態になる。エアーハンマー装置８に対するエアー供給は、前述のように圧縮空気供給装置により供給され、図３に示すようにケーシング７内に供給されて、供給穴を介してエアーハンマー装置８に供給される。
【００４８】
図示はしていないが、エアーは掘削装置の近辺に設置した圧縮空気供給装置からケーシング７内にホース等を介して外部に漏れることなく供給されるようになっている。続いて、モータ５を回転させ、ケーシング７下端のリングビット１０に回転駆動を与えると同時に、エアーハンマー装置８にエアーを供給してエアーハンマー装置８下端のハンマービット９に打撃を加える。この掘削動作により、ケーシング７下端のリングビット１０とエアーハンマー装置８下端のハンマービット９とは一体となって掘削を開始する。掘削した土砂は、エアーハンマー装置８から排出されたエアーによりケーシング７の外側に追いやられ、掘削穴から排出され一部は地上に出てくる。
【００４９】
掘削深度が不足する場合には、図は省略しているが、モータ５の把持部によるケーシング７の把持を解除し、フィード用油圧モータを駆動させ、リーダー２の案内に沿って、モータ５が設けられた案内台４をリーダー２上部へ移動し、追加のケーシング７を埋設しているケーシング７の上部にねじ込んで取り付ける。フィード用油圧モータを駆動させ、リーダー２の案内に沿って、モータ５が設けられた案内台４を、モータ５の把持部がケーシング７を把持できる位置に下降させる。追加のケーシング７をモータ５の把持部で把持し、図９に示すように、前述同様の工程で所定深度まで掘削する。掘削が完了したら、モータ５を逆回転させ、第１結合部７ａと第２結合部８ａの結合を図５（ロ）に示すように解除する。
【００５０】
所定深度まで掘削した後は、モータ５の把持部によるケーシング７の把持を解除する。図１０に示すように、フィード用油圧モータを駆動させ、リーダー２の案内に沿って、モータ５が設けられた案内台４をリーダー２上部へ退避させる。オーバーショットヘッド１５をワイヤ１７で吊り上げた後、図１１に示すように、リーダー２上部からオーバーショットヘッド１５をケーシング７内に吊り降ろす。このオーバーショットヘッド１５はエアーハンマー装置８のチャッキング装置である。
【００５１】
図３に示すように、エアーハンマー装置８の上部は、係合部１４を構成し、円錐形状の傘部１４ａと下部段差状にくびれ部１４ｂを有している。オーバーショットヘッド１５は挟み状の把持部材で、ケーシング７内に吊り降ろされたときにエアーハンマー装置８の係合部１４に当接すると、傘部１４ａに案内されながら挟み部１５ａが開き、くびれ部１４ｂに達したときに嵌りこんで挟み部１５ａが閉じ、係合部１４を把持する。
【００５２】
把持した後は自重で挟み続けるので外れることはない。図１１は、オーバーショットヘッド１５がエアーハンマー装置８を把持した状態を示している。この状態で、オーバーショットヘッド１５を吊り上げると、エアーハンマー装置８は、ケーシング７と分離して、図１２に示すように単独で地上に引き上げられる。この状態はケーシング７のみが地中に埋設された状態となる。
【００５３】
ケーシング７が地中にあることで、軟弱な地盤であっても掘削穴Ｘの内壁面は崩れによって塞がれるおそれはない。ケーシング７内部に地中熱交換パイプＵを挿入する。ケーシング７の内周部と地中熱交換パイプＵとの間にグラウト（グラウト材）Ｇｒを注入、充填する。ケーシング７内部に充填されたグラウトＧｒ内に地中熱交換パイプＵが埋設される。このときグラウトＧｒは、ケーシング７内部（中空部）に地下水がある場合、地下に溜まっている地下水を排除しながら、ケーシング７の内周部と地中熱交換パイプＵとの間の隙間を埋める。フィード用油圧モータを駆動させ、リーダー２の案内に沿って、モータ５が設けられている案内台４を、モータ５の把持部がケーシング７を把持できる位置に下降させる。モータ５の把持部でケーシング７を把持させる。フィード用油圧モータを駆動させ、リーダー２の案内に沿って、モータ５が設けられている移動台４を上昇させ、ケーシング７を地盤から引き抜き、回収する。言い換えると、ケーシング７が地上に引き上げられる。ケーシング７が引き抜かれた地盤内の空間は、グラウトＧｒが埋めていく。
【００５４】
このようにして、最終的に図１４に示すように、掘削穴Ｘに充填されたグラウトＧｒ内に地中熱交換パイプＵが埋設されることになる。このように本実施の形態では、ケーシング７端にリングビット１０を設けて掘削するようにしたので、エアーハンマー装置８のハンマービット９による掘削と相まって掘削能力を高めることができるようになった。
【００５５】
即ち、ケーシング７直下の地盤をもリングビット１０で掘削できるようにしている。このことにより、軟弱地盤といえども硬質の土層等の土質の変化に対応できる。本実施の形態では、ケーシング７にリングビット１０を設け、ハンマービット９と共に穴全体を強制的に掘削することになる。この結果、土質の変化にも左右されずにどのような一般的な家屋が建設される地盤にも対応ができ、ケーシング７に掘削時の損傷を与えることなくスムースに地中熱交換パイプ（地中熱交換器）Ｕを設置するための掘削穴Ｘを掘削することができる。更に、ケーシング７とエアーハンマー装置８との結合構成を簡素な形で着脱ができる構成にした。この結果、本実施の形態に関わる地中熱交換器設置用の掘削装置は複雑な装置にならず、低コストの装置、高効率な掘削が実現できる。
【００５６】
［他の実施の形態］
図１５から図１７は、掘削装置の他の実施の形態を示す図である。この他の形態は、ビット関係を前述した形態と同じにし、図１５〜１７に示すように結合部のみを変えたものである。なお、図１５のパッカー部等は、右半分を結合解除状態、左半分を結合状態として図示している。図で示すように、ケーシング３０の内径部の一部に凹溝３１を設け、この凹溝３１に進退自在に膨張、収縮するパッカー部３２で結合させるようにしたものである。凹溝３１とパッカー部３２との間に、ストッパー３３を円周方向に４ヶ所設けている。このストッパー３３はパッカー部３２に押圧されている構成である。
【００５７】
パッカー部３２にはプラグ４０を外し、外部の水圧供給装置（水圧ポンプ）からホースを介して水圧を付加するようになっていて、エアーハンマー装置３４の内部には、圧力水を供給する水路３５を設けている。水圧は逆止弁４１により、水圧供給装置（水圧ポンプ）からのホースを外してもパッカー内の水圧は保持される構造になっている。パッカー部３２はゴム体で形成されていて、水圧により拡張するようになっている。又ストッパー３３にはＯリング３６が設けられている。ケーシング３０とエアーハンマー装置３４とが結合する場合には、図１７（イ）に示すように、圧力水の供給によりパッカー部３２を拡張させ、ストッパー３３が凹溝３１に嵌り込み、ケーシング３０とエアーハンマー装置３４との上下方向の相対移動を規制する。
【００５８】
結合を解除する場合は、図１７（ロ）に示すように、オーバーショットヘッドで水圧開放弁４２を押すことにより、パッカー部３２の圧力水が減圧され、ストッパー３３を凹溝３１から離脱させる。この離脱に際しては、パッカー部３２の水圧の停止に加えＯリング３６、パッカー部３２の復元力でストッパー３３をパッカー部３２側に引っ込ませる。このようにすることで、ケーシング３０とエアーハンマー装置３４との上下方向の相対移動が可能となる。
【００５９】
更に、ケーシング３０とエアーハンマー装置３４とは、スプライン結合構成３７で上下方向の相対移動は可能であるが、回転方向は規制された構成となっている。この他の形態の場合は、結合時にケーシング３０とエアーハンマー装置３４との相互回転位置合わせを行う必要はない。
【００６０】
以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこの形態に限定されることはなく、本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内での変更が可能なことはいうまでもない。本発明は地中熱ヒートポンプシステムの地中熱交換器を設置するための掘削穴形成のためのものであるが、掘削穴にグラベルを注入して杭を形成するものにも適用可能である。一般的に、土木建設関係の分野に掘削穴形成の実績例は多いが、本発明におけるビットを有するケーシングとエアーハンマー装置との一体化しての掘削工法は、その対象が限定されることはなくどのようなものにも対応できることはいうまでもない。
【符号の説明】
【００６１】
１…掘削機械
２…リーダー
５…モータ
７…ケーシング
７ａ…第１結合部
８…エアーハンマー装置
８ａ…第２結合部
９…ハンマービット
１０…リングビット
１１…支持部材
１４…係合部
１５…オーバーショットヘッド
１６…結合部
Ｇｒ…グラウト
Ｕ…地中熱交換パイプ（地中熱交換器）
Ｘ…地中熱交換器用設置穴
Ｙ…地中熱ヒートポンプシステム
【図１】
2013124535.tif 000003
【図２】
2013124535.tif 000004
【図３】
2013124535.tif 000005
【図４】
2013124535.tif 000006
【図５】
2013124535.tif 000007
【図６】
2013124535.tif 000008
【図７】
2013124535.tif 000009
【図８】
2013124535.tif 000010
【図９】
2013124535.tif 000011
【図１０】
2013124535.tif 000012
【図１１】
2013124535.tif 000013
【図１２】
2013124535.tif 000014
【図１３】
2013124535.tif 000015
【図１４】
2013124535.tif 000016
【図１５】
2013124535.tif 000017
【図１６】
2013124535.tif 000018
【図１７】
2013124535.tif 000019