(57)【要約】【課題】  地下水への酸素混入をほぼ完全に防止できる簡素な構成の揚水／注水システムを安価なコストで提供する。【解決手段】  帯水層Ｗ１，Ｗ２まで延び取水部１７，１８から地下水を取り入れる井戸ケーシング１１，１２と、この井戸ケーシング１１，１２内に挿入され井戸ケーシング１１，１２内の地下水中まで延びる揚水用又は注水用の送水管１３，１４とを有する地下水の揚水／注水システムにおいて、送水管１３，１４の外面と井戸ケーシング１１，１２の内面との間の隙間に挿入され、前記隙間の間隔を小さくして縮幅域を形成する縮幅域形成部材１５を有し、縮幅域形成部材１５は、前記縮幅域の下端より上方に地下水の水位が常に位置し、かつ、前記縮幅域内の地下水に酸素を運搬するような対流が生じない幅を決定するようにした。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
帯水層まで延び取水部から地下水を取り入れる井戸ケーシングと、この井戸ケーシング内に挿入され前記井戸ケーシング内の地下水中まで延びる揚水用又は注水用の送水管とを有する地下水の揚水／注水システムにおいて、
前記送水管の外面と前記井戸ケーシングの内面との間の隙間に挿入され、前記隙間の間隔を小さくして縮幅域を形成する縮幅域形成部材を有し、
前記縮幅域形成部材は、前記縮幅域の下端より上方に地下水の水位が常に位置し、かつ、前記縮幅域内で酸素を運搬するような地下水の対流を生じさせないように前記隙間の幅を決定すること、
を特徴とする揚水／注水システム。
【請求項２】
前記縮幅域形成部材が断熱材から形成され、前記送水管の外面に巻き付けられることを特徴とする請求項１に記載の揚水／注水システム。
【請求項３】
前記帯水層から揚水した地下水を前記帯水層と同一又は別の帯水層に注水することを特徴とする請求項１又は２に記載の揚水／注水システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、帯水層から地下水を揚水して冷暖房等に利用するための揚水システム又は帯水層に地下水を注水する注水システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
土壌中には鉄及びマンガンが多く存在することから地下水には鉄やマンガン等の金属が含まれているが、土壌中の有機物の分解で酸素が消費されて地下水にはほとんど酸素が含まれていないことから、これら金属はイオン状態で地下水中に存在している。そのため、これら金属イオンを含有する地下水を帯水層から揚水したり、揚水した地下水を帯水層に注水したりすると、地下水が大気と接触して地下水中に酸素が取り込まれ、金属イオンが酸化する。
【０００３】
例えば、鉄イオン（Ｆｅ２＋）は酸化して水酸化第二鉄（Ｆｅ（ＯＨ）３）となるが、この水酸化第二鉄の一部が微粒子状又はコロイド状の水酸化鉄となって地下水中に懸諾し、揚水ポンプや熱交換器のスクリーンに赤錆を付着させる。この赤錆は、揚水ポンプや熱交換器の能力を低下させたり故障させたりする原因となることから、定期的に揚水ポンプや熱交換器のスクリーンを洗浄又は交換して赤錆を除去しなければならないという問題がある。
【０００４】
また、水酸化鉄が井戸ケーシングの底部や帯水層に溜まって注水時水位が上昇し、地下水を注水することができなくなるという問題がある。
さらに、地下水中に酸素が取り込まれることで好気性のバクテリアが繁殖し、送水管や井戸ケーシングの内部に悪臭を発生させる原因になるという問題がある。
このように、地下水を利用した熱交換システムは省エネルギーや熱交換率の向上の面で優れるものの、金属イオンを多く含む地下水は回避される傾向にあり、地下水利用の熱交換システムの普及を妨げている一因になっている。
【０００５】
このような問題を解決するべく、揚水又は注水の際の地下水と大気との接触を防止しようとする試みがいくつかなされている。
例えば、特許文献１（特公平８−２６５３７号公報）では、地下水に空気が混入しないように、井戸ケーシング内の地下水位よりも上に密閉した空気室を作るとともに、地下水に混入した空気を分離する空気分離装置を設ける方法が提案されている。
【０００６】
また、特許文献２（特開２００９−１２１０６２号公報）では、送水管（井戸ケーシング）の上方を密閉して前記送水管内を不活性ガスで充たすとともに、送水管内の酸素濃度を測定するための濃度計を設ける方法が提案されている。
さらに、上記の文献とは他に、水膨張ゴムなどを使って井戸ケーシングを密閉しようとする試みもなされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特公平８−２６５３７号公報
【特許文献２】特開２００９−１２１０６２号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかし、上記文献に記載の技術は、いずれも井戸ケーシングを密閉して大気を遮断しようとするものであるが、常に水位が変動する井戸ケーシング内を完全な密閉状態に保つことは極めて困難であるという問題がある。
また、井戸ケーシング内に不活性ガスを注入したり、混入した空気を分離したりする方法は、大掛かりな装置が必要となってコスト高になるという問題がある。
さらに、上記文献の方法等は、新たな装置や溶存酸素の濃度を計測する機器を設置する必要があるため、既存の揚水／注水システムにそのまま適用することが困難で、揚水／注水システムを新たに構築しなければならないという問題がある。
【０００９】
本発明は上記の問題点に鑑みてなされたもので、簡素な構成で安価に実施することができ、地下水への酸素混入をほぼ完全に防止できる揚水／注水システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題の解決にあたり本発明の発明者は、福井市内の数カ所の井戸ケーシングにおける地下水の深さと溶存酸素量の関係を調査した。その結果を、図３及び図４のグラフ示す。図３及び図４において縦軸は水深（ｍ）、横軸は溶存酸素量（ｐｐｍ）を示している。なお、図３は平成２３年７月に調査したときのもの、図４は、図３と同じ場所についての平成２３年９月に調査したときのものである。
図３のグラフから、溶存酸素量は地下水面付近で多く、水深が深くなるほど減って、１．５ｍを越えるとほぼ０になることがわかる。ところが、９月のデータでは、図４に示すように一定の深さまで溶存酸素量が多く、一定の深さを越えると急激に溶存酸素の量が減ずる結果が見られた。
【００１１】
図３のグラフから図４のグラフへの変遷について本発明の発明者が検討したところ、井戸ケーシング内の地下水の対流によって溶存酸素が地下水の表面から一定の深さまで運ばれたものと推測した。特に、冷房時の温排水を帯水層に注水すると、井戸ケーシング内の地下水の温度成層が崩れて対流が発生し、水面から多量の酸素が地下水内に取り込まれるものと推測できる。そこで、空気に接触している地下水の表面から地下水の深部に酸素を運ぶような地下水の対流を抑制すれば、井戸ケーシングを完全に密閉しなくても、地下水中金属イオンの酸化による析出とバクテリアの繁殖を防止できることに想到した。
【００１２】
すなわち、請求項１に記載の揚水／注水システムは、帯水層まで延び取水部を有する井戸ケーシングと、この井戸ケーシング内に挿入され前記井戸ケーシング内の地下水中まで延びる揚水用又は注水用の送水管とを有する地下水の揚水／注水システムにおいて、前記送水管の外面と前記井戸ケーシングの内面との間の隙間に挿入され、前記隙間の間隔を小さくして縮幅域を形成する縮幅域形成部材を有し、前記縮幅域形成部材は、前記縮幅域の下端より上方に地下水の水位が常に位置し、かつ、前記縮幅域内で酸素を運搬するような地下水の対流を生じさせないように前記隙間の幅を決定する構成としてある。
【００１３】
本発明の揚水／注水システムを冷暖房等の熱交換に利用するのであれば、請求項２に記載するように、前記縮幅域形成部材を断熱材で形成して送水管の外面に巻き付けるとよい。
本発明の揚水／注水システムでは、請求項３に記載するように、揚水した地下水を前記帯水層と同一又は別の帯水層に注水するようにしてもよい。このようにすることで、地下水の汲み上げ過ぎによる地盤沈下を防止することができる。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、地下水への酸素混入をほぼ完全に防止して赤錆の発生を抑制し、注水側の帯水層において注水時水位が上昇することなく、スクリーンの目詰まりによる揚水ポンプや熱交換機の能力低下又は故障を防止できるとともに、バクテリアの発生を抑制することができ、頻繁な定期点検や清掃等を不要にして作業者の負担を軽減することができる。
このように、本発明によれば、鉄分を多く含む既存の帯水層の有効利用を促進して、省エネルギー性や熱交換率の向上を図ることができる揚水／注水システムを低廉なコストで提供することが可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態を、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１は、地下水利用の冷暖房装置に本発明の揚水／注水システムを適用した実施形態にかかり、装置の全体構成を説明する概略図、図２は、図１の揚水／注水システムにおける一部を破断した主要部の拡大図である。
【００１６】
揚水／注水システム１は、地表面Ｇから地中に打ち込まれ、第一の帯水層Ｗ１まで達する第一の井戸ケーシング１１と、この井戸ケーシング１１の底部の取水部１７から取り入れた第一の帯水層Ｗ１の地下水中まで先端が延びる揚水用の送水管１３とを有している。この送水管１３は、井戸ケーシング１１の上端から地表面Ｇに出て、冷暖房用の熱交換器Ｈに接続されている。
【００１７】
また、第一の帯水層Ｗ１とは別の第二の帯水層Ｗ２には、地表面Ｇから第二の井戸ケーシング１２が打ち込まれている。そして、この井戸ケーシング１２の底部には取水部１８から取り入れた第二の帯水層Ｗ２の地下水中まで延びる送水管１４が設けられている。送水管１３及び送水管１４は熱交換器Ｈに接続され、ポンプＰによって第一の帯水層Ｗ１から揚水された地下水が送水管１３を経て熱交換器Ｈに送られ、この熱交換器Ｈで熱交換に供された地下水は、送水管１４を経て第二の帯水層Ｗ２に注水される。
【００１８】
送水管１３及び送水管１４は、鉄イオンが溶出しない樹脂管が好ましく、酸素透過率の高い材料（例えばポリエチレン）よりも、酸素透過率の低い材料（例えば塩化ビニル）で形成されているのが好ましい。金属管を用いる場合は、地下水の水質に留意して、腐食の少ない金属管や、例えばアルミ内挿のポリエチレン３層管を用いることもできる。
【００１９】
この揚水／注水システム１では、帯水層Ｗ１，Ｗ２の流れが緩く、例えば、ポンプＰによって第一の帯水層Ｗ１から揚水された地下水が送水管１３を経て熱交換器Ｈに送水され、夏の冷房として利用された後、温度の上昇した地下水が送水管１４を経て第二の帯水層Ｗ２に戻されるようになっている。そして、冬に地下水の流れを切り換えて揚水側と注水側を逆にすることで、第二の帯水層Ｗ２に戻された温度の高い地下水を暖房用として利用できるようになっている。
【００２０】
送水管１３の外面には縮幅域形成部材としての嵌装体１５が嵌装されている。嵌装体１５は、送水管１３の外面と第一の井戸ケーシング１１の内面との間の隙間の中に介在して縮幅域１９を形成する。嵌装体１５を断熱材で形成することで、揚水した地下水の温度変化を抑制して、冷暖房等の効率を高めることができる。このような嵌装体１５としては、水道管等の保温用に一般的に使用されている市販のパイプカバーを利用することができる。
【００２１】
この実施形態では、注水側も揚水側と同じように構成されている。すなわち、送水管１４の外面に嵌装体１５が嵌装されていて、送水管１４の外面と第二の井戸ケーシング１２の内面との間に縮幅域１９が形成されている。
嵌装体１５の長さは、図２に示すように、少なくとも揚水時水位が嵌装体１５の下端よりも常に上方にあればよい。
【００２２】
また、嵌装体１５によって形成される縮幅域１９の幅Ｓは、地下水の水位が変動しても、縮幅域１９内で地下水の表面から深部まで酸素を運搬するような地下水の対流を生じさせないものを選択する。幅Ｓが小さすぎると、嵌装体１５の井戸ケーシング１１，１２への挿入がしにくくなり、幅Ｓが大きすぎると、地下水の対流によって酸素が地下水中に運ばれる。幅Ｓは、井戸ケーシングや送水管の径及び長さ、地下水温度、嵌装体１５の種類等の種々の条件によって多少変化するが、１ｍｍ〜１２ｍｍの範囲内で選択するのが好ましく、３ｍｍ〜１０ｍｍの範囲内で選択するのがより好ましい。
【００２３】
幅Ｓは、例えば図２に示すように地下水中にＤＯセンサ２０を設け、地下水の溶存酸素の濃度を計測することで決定することができる。例えば、幅Ｓを大きなものから順次小さなものに変化させていき、揚水と注水を繰り返しても、深度ごとの溶存酸素濃度分布が図３に示すような結果となった場合には、地下水の表面から深部まで酸素を運搬するような地下水の対流が生じていないとして、そのときの寸法を「幅Ｓ」として決定する。
【００２４】
［実施例］
以下に本発明の実施例について説明する。
［実施例］
（１）  井戸ケーシング  内径７７ｍｍ
（２）  嵌装体          発泡ウレタンを内包したポリエチレン製パイプ
外径６７ｍｍ  内径３２ｍｍ
（３）  送水管          硬質塩化ビニル製
酸素透過係数  ２４０cc・２０μｍ３・２４hrs・atm
内径２５ｍｍ、外径３２ｍｍ
（４）  隙間の寸法Ｓ    ５ｍｍ
（５）  地下水中の鉄分量    ５２ｐｐｍ
［比較例］
比較例として、嵌装体を装着しない従来の揚水／注水システムで実験を行った。
【００２５】
［結論］
毎日８時間、第一の井戸ケーシング１１から毎分２０リットルで地下水を揚水し、別の帯水層の第二の井戸ケーシング１２へ注水した。
その結果、実施例では、２ヶ月半の間運転を続けてもの第二の井戸ケーシング１２の注水時水位に上昇は認められず、熱交換器や揚水ポンプのスクリーンにも目詰まりは認められなかった。
これに対し比較例では、２ヶ月半で第二の井戸ケーシング１２の注水時水位が上昇し、揚水した地下水の全てを第二の井戸ケーシング１２に注水することが困難になった。また、熱交換器や揚水ポンプのスクリーンにも酸化鉄が付着していた。
以上から、本発明では地下水中の鉄イオン（Ｆｅ２＋）の酸化が効果的に抑制されていることがわかる。
【００２６】
本発明は上記の説明に限定されるものではない。
例えば、上記の説明では注水側の送水管１４を備えるものとして説明したが、例えば、融雪装置に本発明の揚水／注水システム１を適用するような場合は、注水側の送水管１４は必ずしも必要ではない。
また、嵌装体１５は、地下水の水位が常に嵌装体１５の下端より上にあるように設ければよいが、図２に示すように、揚水時だけでなく、自然時及び注水時にも地下水の水位が嵌装体１５によって形成される縮幅域の中に常時位置するように設けてもよい。
【産業上の利用可能性】
【００２７】
本発明は、地下水を揚水して利用する揚水システム又は帯水層に地下水を注水する注水システムに広く適用が可能であり、冷房又は暖房装置や融雪装置、トイレ等の洗浄装置にも適用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】地下水利用の冷暖房装置に本発明の揚水／注水システムを適用した実施形態にかかり、装置の全体構成を説明する概略図である。
【図２】図１の揚水／注水システムにおける一部を破断した主要部の拡大図である。
【図３】福井市内の数カ所における井戸ケーシング内の地下水の深さと溶存酸素量の関係を調査した結果にかかり、平成２３年７月のものである。
【図４】福井市内の数カ所における井戸ケーシング内の地下水の深さと溶存酸素量の関係を調査した結果にかかり、平成２３年９月のものである。
【符号の説明】
【００２９】
１        揚水／注水システム
１１      第一の井戸ケーシング
１２      第二の井戸ケーシング
１３      送水管
１４      送水管
１５      嵌装体
１９      縮幅域
Ｈ        熱交換器
Ｐ        ポンプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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