(57)【要約】【課題】  循環型地中熱利用設備の採熱効率を向上させ、設置コストとメンテナンスを低減させ、大容量の熱交換に対応できるようにする。【解決手段】  地中に掘削した孔の中に、先端を閉じた管状のライニング材を挿入し、掘削孔の凹凸形状の周面に密着した状態で硬化させ、掘削孔を熱交換器にする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地中に掘削した孔の中に、先端を閉じた管状のライニング材が挿入されており、前記ライニング材は掘削孔の凹凸形状の周面に密着した状態で硬化していることを特徴とする地中熱交換器
【請求項２】
請求項１記載の地中熱交換器において、掘削した孔の中に挿入されている管状のライニング材には熱硬化性樹脂が含浸されていることを特徴とする地中熱交換器
【請求項３】
請求項１記載の地中熱交換器において、掘削した孔の中に挿入されている管状のライニング材には紫外線硬化性樹脂が含浸されていることを特徴とする地中熱交換器
【請求項４】
請求項１記載の地中熱交換器において、掘削した孔の中に挿入されている管状のライニング材には継時性硬化物質が含浸されていることを特徴とする地中熱交換器
【請求項５】
請求項１、２、３、４いずれかに記載の地中熱交換器において、中空部には水や不凍液等の熱交換液が保たれ、また前記中空部には取水管と注入管が設置され、前記取水菅及び前記注入菅は、所定の場所に配管・設置した熱交換部と接続されていることを特徴とする地中熱交換器
【請求項６】
地中に掘削した孔の中に、先端を閉じた管状のライニング材を掘削孔に挿入し、圧力を加えた液体を注入してライニング材を膨張させ、掘削孔の凹凸形状の周面に密着した状態に保ったまま、ライニング材を硬化させ、掘削孔をライニングすることで掘削孔を熱交換器にすることを特徴とする地中熱交換器の施工法
【請求項７】
請求項６記載の地中熱交換器の施工法において、前記ライニング材には熱硬化性樹脂が含浸されており、前記ライニング材に挿入されたパイプとともに掘削孔に挿入し、パイプを通して圧力を加えた液体を注入しライニング材を膨張させ、掘削孔の凹凸形状の周面に密着した状態に保ったまま、前記パイプを通して温水を注入してライニング材に接触させ、前記ライニング材に含浸された熱硬化性樹脂を硬化させ、掘削孔をライニングすることで掘削孔を熱交換器にすることを特徴とする地中熱交換器の施工法
【請求項８】
請求項６記載の地中熱交換器の施工法において、前記ライニング材には熱硬化性樹脂が含浸されており、また、前記ライニング材は挿入される前に裏返しされており、掘削孔の入口部孔周面に裏返されたライニング材の口を表に返して密着させ、圧力を加えた液体を注入しライニング材を膨張させ、掘削孔の凹凸形状の周面に密着させながら、表に返しながら掘削孔上部から順次挿入し、前記ライニング材の閉じられた先端部を掘削孔の最深部まで到達させ、中に挿入したパイプを通して温水を注入してライニング材に接触させ、前記ライニング材に含浸された熱硬化性樹脂を硬化させ、掘削孔をライニングすることで掘削孔を熱交換器にすることを特徴とする地中熱交換器の施工法
【請求項９】
地中に挿入された中空杭の中空部に、先端を閉じた管状のライニング材が挿入されており、前記ライニング材は前記中空杭の内周面に密着した状態で硬化していることを特徴とする地中熱交換器
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、地中熱利用のため地中掘削した孔に水や熱交換媒体を循環させ、地中熱を有効に利用する地中熱交換器の構造に関するものである。
【背景技術】
【０００２】  地中熱は天然資源を直接利用するものであるから環境にやさしく経済的であるという利点がある一方、必要な熱量を得るためには、深さ数十ｍから百ｍにも達する孔を地中に掘削し、多数の地中熱交換装置を埋設しなければならず、設置コストが極めて高い。この問題を解決するためには、熱交換装置自体のコストを削減するとともに地中熱交換装置の採熱効率を高めることが必要である。【０００３】  従来における循環型地中熱利用設備として、例えば垂直式の地中熱交換装置は、地中に縦孔を掘削し、この縦孔内に管材を挿入し、縦孔とこの管材との間隙に埋戻し材を充填した構造とするものがある。
挿入された管材は、掘削孔の最深部でＵ字型に曲げられ地上に戻る。管材を通る熱交換液は、その間の地熱を採取し地上に運ばれる。このＵ字菅を複数本埋設する方法もある。【０００４】  この方法では、地下でＵ字型に曲げられた往復菅は、地中で互いに近接しているため、地下で採熱して上昇する熱交換液の熱量の一部が、地上で放熱して地下へ下降する低温の戻り菅の液体へと移動してしまい非効率である。地上の温度が高い場合には、地下で放熱して上昇する熱交換液が、地上で加熱されて地下へ下降する高温の戻り菅の熱の一部を吸収してしまう。【０００５】  また、熱交換液が地中熱を採取、或いは地中へ放熱するための面積は、熱交換液を運ぶ菅の外径に限定されてしまう。【０００６】  そこで、採熱効果を高めるため、地中面との接触を大きくし、さらに地中の熱交換液の容量を大きくする方法が考案されている。
たとえば、地中に埋設した基礎杭の中空部に不凍液等の熱交換液を入れ、前記中空部には取水管と注入管を配管し、前記取水管には送り管を、前記注入管には戻し管をそれぞれ接続し、所定の場所に配管・設置した熱交換部へ上記熱交換液を送り、一循させて基礎杭に戻す熱交換システムがある。
【文献１】
実開平０５−０１７４２９
【０００７】  又、同軸式と呼ばれるものが考案されている。これは、地中と埋め戻し材を介して接している外管と、その外管内に配設された内管の同軸２重管により構成される。
地上から循環回収された熱交換液は、内管内を通って地下深くまで下降する。そして、最下部で反転し、外管と内管との隙間を通って、地中との間で熱交換を行いながら地上に戻る。あるいは、その逆の経路をとる場合もある。地上では、地中熱交換器から排出された熱交換液が、地上の熱交換部に接続される。ここで熱交換を終えて排出された熱交換液は、再び地中熱交換器へと戻される。
【０００８】  そして、外管と内管との隙間を流れる熱交換液が外管から効率的に採熱できるようにするためには、熱交換液の流れを乱流にさせることが必要である。このために、外管の内径に対する内管の外径の比を０．７０以上０．９５以下にし、さらに外管の内周面及び又は内管の外周面に突起物を設けて表面を粗くしたものがある。
【文献２】
特開２００４−３０９１２４
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】  しかしながら、前記文献１乃至文献２に示された地中熱交換装置では、金属構造の場合、熱伝導効果は高いが、高コストである。また外内管の外径を大きくした場合、コストや採熱効果を考慮すると外管は継合わせ塗装構造となり、そのメンテナンスを行うことが必要で、装置の一部が破損した場合、大きな効率低下を招くか、埋設した管を抜き取るなど大掛かりな補修が必要であった。
鉄鋼構造の場合必ず腐食が発生し、寿命も短い。【００１０】  また、前記文献１乃至文献２に示された地中熱交換装置で、コンクリート構造の場合、コンクリート基礎杭の中空部に不凍液等の熱交換液が循環しているため、コンクリートに含まれるカルシウム分が液と反応して、炭酸カルシウムの結晶を析出する。この結晶が配管内に付着するため、頻繁に除去しなければならない。そのためのメンテナンスコストが高く、またしばしば管内が詰まって故障が発生する。【００１１】  金属の破損による漏れや炭酸カルシウムの結晶析出を防ぐため、杭の中空部に塗装を施すこともあるが、コストが増大するだけでなく、剥離やひび割れが発生するなど信頼性も低い。
【課題を解決するための手段】
【００１２】  前記課題を解決するため、本発明は以下の如き手段を採用する。
即ち本発明に係る地中熱交換器は、地中に掘削した孔の中に、先端を閉じた管状のライニング材が挿入されており、前記ライニング材は掘削孔の周面の凹凸形状に密着した状態で硬化していることを特徴とするものである。【００１３】  前記地中熱交換器の一形態として、掘削した孔の中に挿入されている管状のライニング材には熱硬化性樹脂が含浸されていることを特徴とするものである。【００１４】  別な形態での地中熱交換器として、掘削した孔の中に挿入されている管状のライニング材には紫外線硬化性樹脂が含浸されていることを特徴とするものである。【００１５】  さらに、別な形態での地中熱交換器として、掘削した孔の中に挿入されている管状のライニング材には継時性硬化物質が含浸されていることを特徴とするものである。【００１６】  前記いずれかに記載の地中熱交換器の活用形態は、中空部には水や不凍液等の熱交換液が保たれ、また前記中空部には取水管と注入管が設置され、前記取水菅及び前記注入菅は、所定の場所に配管・設置した熱交換部と接続されていることを特徴とするものである。【００１７】  本発明に係る地中熱交換器の施工方法は、地中に掘削した孔の中に、先端を閉じた管状のライニング材を掘削孔に挿入し、圧力を加えた液体を注入してライニング材を膨張させ、掘削孔の凹凸形状の周面に密着した状態に保ったまま、ライニング材を硬化させ、掘削孔をライニングすることで熱交換器にすることを特徴とするものである。【００１８】  前記地中熱交換器の施工法の一形態として、前記ライニング材には熱硬化性樹脂が含浸されており、前記ライニング材に挿入されたパイプとともに掘削孔に挿入し、パイプを通して圧力を加えた液体を注入しライニング材を膨張させ、掘削孔の凹凸形状の周面に密着した状態に保ったまま、前記パイプを通して温水を注入してライニング材に接触させ、前記ライニング材に含浸された熱硬化性樹脂を硬化させ、掘削孔をライニングすることで熱交換器とすることを特徴とするものである。【００１９】  異なる形態での前記地中熱交換器の施工法の一形態として、前記ライニング材には熱硬化性樹脂が含浸されており、また、前記ライニング材は挿入される前に裏返しされており、掘削孔の入口部孔周面に裏返されたライニング材の口を表に返して密着させ、圧力を加えた液体を注入しライニング材を膨張させ、掘削孔の凹凸形状の周面に密着させながら、表に返しながら掘削孔上部から順次挿入し、前記ライニング材の閉じられた先端部を掘削孔の最深部まで到達させ、中に挿入したパイプを通して温水を注入してライニング材に接触させ、前記ライニング材に含浸された熱硬化性樹脂を硬化させ、掘削孔をライニングすることで掘削孔を熱交換器にすることを特徴とするものである。【００２０】  さらに異なる形態での地中熱交換器として、地中に挿入された中空杭の中空部に、先端を閉じた管状のライニング材が挿入されており、前記ライニング材は前記中空杭の内周面に密着した状態で硬化していることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００２１】  本発明によるときは、熱交換液を蓄える中空部の形成は、従来の鋼管あるいはコンクリート製の杭を地中に埋め込む代わりに、地中に掘削した孔の中に、熱や紫外線又は継時硬化性樹脂を含浸させた管状のライニング材を挿入し、これを膨張させて掘削孔の凹凸形状の周面に密着した状態で、ライニング材に含浸された硬化性樹脂を硬化させ、掘削孔をライニングする。【００２２】  あるいは、熱交換液を蓄える中空部の形成は、コンクリート製又は金属製の中空杭を地中に挿入し、前記中空杭に先端を閉じた管状のライニング材を挿入し、前記ライニング材を前記中空杭の内周面に密着した状態で硬化させ、中空杭の中空部をライニングする。【００２３】  前記いずれかの中空部に、地上の熱交換部と接続する注入管と取水菅を設置する。
地上の融雪パイプなどの熱交換部から循環された熱交換液は、前記注入管を通って地中熱交換孔の最下部に達し、前記地中熱交換器の中空部に注入される。注入された熱交換液は、地上で熱交換されているため地中より低温である。低温の前記熱交換液は、前記地中熱交換孔の最下部から地中の温度を吸収しながら上部の前記取水菅口に達する。【００２４】  中空部の内面は、硬化したライニング材が、掘削孔の凹凸形状に形成されているため、上昇する熱交換液の流れは乱流になり、地中熱を効率的に採取する。【００２５】  この方法によれば、熱交換液を保持する中空部は、硬化性の樹脂で構成され、鋼管やコンクリート杭を埋設するより低コストで施工でき、溶接や塗装等のメンテナンスを行うこともなくなる。【００２６】  またコンクリートに接することがないため、炭酸カルシウムの結晶を析出することがなく、管内が詰まるなどのトラブルが解消され、メンテナンスコストの削減がはかれる。【００２７】  さらに、地中熱交換器を施工するときには掘削孔には地下水が充満しているが、ライニング材をライニング材に挿入されたパイプとともに掘削孔に挿入し、パイプを通して圧力を加えた液体を注入することで、前記掘削孔内の地下水圧に打ち勝って、容易にライニング材を膨張させ孔周面に密着させることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】  以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
図１において本発明に係る地中熱交換器（ｇ）は、地中への掘削孔（ｈ）の中に熱硬化性樹脂を含浸させた管状のライニング材（ａ）を挿入膨張させて掘削孔の周面に凹凸状に押圧した状態で、注入管（ｄ）を通し温水を注入し、ライニング材（ａ）に接触させて硬化させ、凹凸のあるライニング面（ｉ）を形成したものである。【００２９】  図２において、前記地中熱交換器（ｇ）に、地上の熱交換部（ｅ）と接続する注入管（ｄ）と取水菅（ｃ）を設置し、熱交換液（ｂ）を充填する。前記取水菅（ｃ）は、ポンプ（ｆ）を通して、前記熱交換部（ｅ）に接続されている。【００３０】  運転時の動作説明（図２）
（１）ポンプ（ｆ）が起動し、取水菅（ｃ）から汲み上げられた熱交換液（ｂ）が、熱交換部（ｅ）に送り込まれる。
（２）熱交換部（ｅ）では、地中熱により暖められた熱交換液（ｂ）の熱が放出される。
（３）熱交換部（ｅ）ではたとえば、建物の冷暖房や道路の融雪、凍結防止、ロードクーリングなどを行う。
（４）熱交換部（ｅ）で熱を放出し、冷却した熱交換液（ｂ）は、注入管（ｄ）を通って、地中熱交換器（ｇ）の下部へ到達する。
（５）地中熱交換器（ｇ）の下部に到達した熱交換液（ｂ）は、地中熱によって暖められるとともに上昇し、地中熱交換器（ｇ）の上部に設置してある取水菅（ｃ）の取水口に達する。
（６）熱交換液（ｂ）が地中熱交換器（ｇ）の内部を上昇するときには、凹凸のライニング面（ｉ）などで攪拌されるため、地中熱を効果的に採取することができる。
（７）したがって、取水菅（ｃ）からは、地中で暖められた熱交換液（ｂ）が取水される。
【その他の実施例】
【００３１】  本発明は、前記実施の形態で示したものに限定されるものでは決してなく、「特許請求の範囲」の記載内で種々の設計変更が可能であることはいうまでもない。例を挙げれば次のようである。
（１）本発明に係る地中熱交換器は、地表面にほぼ垂直に掘削されているが、所定の深さ垂直掘削した後、地表面に水平方向に掘削する場合もある。
【００３２】（２）本発明に係る地中熱交換孔は、空調、融雪、ヒートアイランド対策、のみならずあらゆる用途に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００３３】
【図１】  本発明の地中熱交換器に係る形態を示す。
【図２】  本発明の地中熱交換器に係る最良の実施形態を示す。
【符号の説明】
【００３４】ａ．ライニング材
ｂ．熱交換液
ｃ．取水菅
ｄ．注入管
ｅ．熱交換部
ｆ．ポンプ
ｇ．地中熱交換器
ｈ．掘削孔
ｉ．ライニング面
【図１】
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【図２】
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