(57)【要約】      （修正有）【課題】安価かつ容易に製造することができ、限られたスペースに容易に設置することができるとともに、地上と地中との間で効率的に熱交換を行うことができる上、構造強度が高く、長期間に亘って使用可能な地中熱交換器を提供する。【解決手段】地中熱交換器１は、外管２、内管３、接続部材４、Ｏリング６等を組み付けることによって一体的に形成されている。そして、地上の媒体を最下部まで送り込むための往路である内管３と、地盤との間で熱交換した後の媒体を地上へ戻すための復路である外管２とが、二重の円筒状になっている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
地上の媒体を地中に送り込みその媒体と地盤との間で熱交換を行う地中熱交換器であって、
地上の媒体を最下部まで送り込むための内管と、
地盤との間で熱交換した後の媒体を地上へ戻すための外管とを有しており、二重の円筒状に形成されていることを特徴とする地中熱交換器。                
【請求項２】
前記外管が金属製であり、前記内管が合成樹脂製であることを特徴とする請求項１に記載の地中熱交換器。    
【請求項３】
前記外管の円形状の底板に、外管と内管との間隔を一定に保つための複数の間隔保持部材が設置されていることを特徴とする請求項１、または請求項２に記載の地中熱交換器。
【請求項４】
前記各間隔保持部材が、前記内管の下端を支承するための傾斜面を有しており、前記外管の円形状の底板の周縁際に等間隔で設置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに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、空気を地中に送り込んで、地盤が有する地中熱との間で熱交換させ、温度を変化させた空気を、再度、建造物内へ導くための地中熱交換器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
地中の温度は、地上に比べ、年間を通して変化が小さく、夏期は低く、冬期は高い傾向にある。それゆえ、地中に熱交換器を埋設して、夏期は地上の熱を地中に放出するとともに、冬期は地中の熱を採取して熱源として利用する試みがなされている。
【０００３】
そのような地中熱交換器として、特許文献１の如く、不凍液や水等の循環流体を地上側から地中へ向けて流す往路として機能する複数の樹脂製管と、その往路を通過した循環流体を地中から地上側へ向けて流す復路として機能する複数の樹脂製管とを、それぞれの下端で略Ｕ字状に繋ぎ合わせるとともに、それらの樹脂製管を複数のリング状の間隔保持部材によって保持してなるヒートポンプが知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１４−１８５８２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記特許文献１の地中熱交換器（ヒートポンプ）は、複数の往路と複数の復路とが別々に設けられているため、構造が複雑であり、製造にコストが掛かる上、大きな設置スペースを必要とする。また、設置する際には、一旦縦穴を掘削して、その内部に往路部分および復路部分を挿入した後に、縦穴を埋め戻す必要があるため、多大な手間を要する。その上、往路と復路とが、地中の同じような場所を通っているため、熱交換の効率が悪い、という不具合もある。
【０００６】
本発明の目的は、上記特許文献１のヒートポンプの如き従来の地中熱交換器が有する問題点を解消し、安価かつ容易に製造することができ、限られたスペースに容易に設置することができるとともに、地盤との間で効率的に熱交換を行うことができる（すなわち、夏期には地上の熱を効率的に地中に逃がし、冬期には地中の熱を効率的に地上に伝えることができる）上、構造強度が高く、長期間に亘って使用可能な地中熱交換器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の内、請求項１に記載された発明は、地上の媒体を地中に送り込みその媒体と地盤との間で熱交換を行う地中熱交換器であって、地上の媒体を最下部まで送り込むための内管（往路）と、地盤との間で熱交換した後の媒体を地上へ戻すための外管（復路）とを有しており、二重の円筒状に形成されていることを特徴とするものである。
【０００８】
請求項２に記載された発明は、請求項１に記載された発明において、前記外管が金属製であり、前記内管が合成樹脂製であることを特徴とするものである。    
【０００９】
請求項３に記載された発明は、請求項１、または請求項２に記載された発明において、前記外管の円形状の底板に、外管と内管との間隔を一定に保つための複数の間隔保持部材が設置されていることを特徴とするものである。
【００１０】
請求項４に記載された発明は、請求項１〜３のいずれかに記載された発明において、前記各間隔保持部材が、前記内管の下端を支承するための傾斜面を有しており、前記外管の円形状の底板の周縁際に等間隔で設置されていることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１に記載の地中熱交換器は、往路と復路とを二重の円筒状に配置させたものであるため、非常にコンパクトに設計することができ、限られた小さなスペースでも設置することができる。
【００１２】
請求項２に記載の地中熱交換器は、金属製の外管の内部に内管が設けられたものであるので、強度が高いため、先に金属製の外管のみを地盤に立て込む（ねじ込む）ことによって、非常に容易に設置することができる。また、長期間に亘って使用することが可能である上、地震等が発生した場合でも損傷しにくい。さらに、復路を形成する外管が熱伝導率の高い金属製であるので、地盤との間で効率的に熱交換することができる。
【００１３】
請求項３に記載の地中熱交換器は、間隔保持部材によって、金属製の外管の内側に一定の隙間の復路が形成された状態が保たれるので、地盤との間で非常に効率的に熱交換することができる。
【００１４】
請求項４に記載の地中熱交換器は、構造が非常にシンプルで強度が高く、安価かつ容易に製造することができる上、メンテナンスも容易である。さらに、地震等が発生した場合でも、外管と内管との間隔が一定に保たれるので、長期間に亘って機能低下を起こすことなく地盤との間で効率的かつ安定的に熱交換することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】地中熱交換器を示す説明図である（ａは内部を透視した正面図であり、ｂはａにおけるＡ−Ａ線断面図である）。
【図２】底板を示す説明図である（ａは正面図であり、ｂはａにおけるＢ−Ｂ線断面図（部分断面図）である）。
【図３】地中熱交換器の使用状態を示す説明図（内部を透視した正面図）である。
【図４】ソケットを示す説明図（内部を透視した正面図）である。
【図５】地中熱交換器の機能を示す説明図（内部を透視した正面図）である。
【図６】間隔保持部材の変更例を示す説明図（斜視図）である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
＜地中熱交換器の構造＞
以下、本発明に係る地中熱交換器の一実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。図１、図２は、地中熱交換器を示したものであり、地中熱交換器１は、外管２、内管３、接続部材４、Ｏリング６、排出管７等を組み付けることによって一体的に形成されている。
【００１７】
外管２は、外径＝１６５．２ｍｍ、厚さ＝４．５ｍｍで長さ＝６，０００ｍｍの鋼管の下端に、その鋼管の外径と同じ直径を有する底板８を固着（溶接）することによって有底の円筒状に形成されている。また、鋼管の上端際の外面には、接続部材４と螺着させるためのネジ山が刻設されている。一方、底板８の表面（上面）には、３つの間隔保持部材９，９・・が固着（溶接）されている。
【００１８】
各間隔保持部材９，９・・は、幅＝５０ｍｍ、厚み＝６ｍｍで高さ（最高の部分の高さ）＝１３０ｍｍの直方体を、板面に対して直交するように傾斜状（長辺と約２０°の角度をなす傾斜状）に裁断することによって、鉛直断面が台形状の四角柱状に形成されている。それらの間隔保持部材９，９・・は、底面を底板８の表面に溶接することによって固着されており、底板８の表面の周縁際に、等間隔（周縁方向において等間隔）に配置された状態になっている。そして、それらの間隔保持部材９，９・・の各支承面（傾斜面）１０，１０・・が、中心軸側を向いた状態になっている。
【００１９】
さらに、外管２の下端際の外周には，幅＝２０ｍｍ、厚み＝２０ｍｍで、長さが５０ｍｍの３つのバイト１１，１１・・が、それぞれ、隣接する間隔保持部材９，９同士の中間の外側に位置し、等間隔（外周方向において等間隔）となるように固着（溶接）されている（図１（ｂ）参照）。
【００２０】
一方、内管は、合成樹脂（塩化ビニル）によって、外径＝１００ｍｍ、厚さ＝３．０ｍｍで長さ＝６，５００ｍｍの長尺な円筒状に形成されている。
【００２１】
また、接続部材４は、合成樹脂（塩化ビニル）によって一体的に形成された本体１２と、同様な合成樹脂（塩化ビニル）によって一体的に形成された蓋体５とによって構成されている。本体１２は、外管２より一回り径の大きい円筒状（内径＝１６４ｍｍ、厚さ＝３．０ｍｍ）に形成されており、４００ｍｍの長さを有している。そして、上端際に、他の部分より小径（外径＝１３０ｍｍ）の小径部分１３が設けられており、その小径部分１３の外周には、蓋体５と螺合させるためのネジ山が刻設されている。また、本体１２の下端際の内周には、外管２と螺合させるためのネジ溝が刻設されている。さらに、本体１２の右側の周面には、後述する排出管７と接続するための排出口１４が、所定の大きさの円筒状（外径＝１００ｍｍ、厚さ＝３．０ｍｍ、長さ＝２００ｍｍ）に一体的に形成されており、側方へ突出した状態になっている。
【００２２】
一方、蓋体５は、扁平な円筒状の締着部１５の上端に、中央に直径１０５ｍｍの円形の開口部１７を形成したドーナッツ状の天板１６が設けられている。そして、締着部１５の内周に、本体１２と螺合させるためのネジ溝が刻設されている。また、Ｏリング６は、弾性を有する合成樹脂（シリコン）によって、内径が１００ｍｍよりわずかに小さなリング状に形成されている。
【００２３】
そして、上記した外管２、内管３、接続部材４（本体１２、蓋体５）、Ｏリング６を、工具を用いることなく組み付けることによって、地中熱交換器１が形成されている。そのように地中熱交換器１を組み付ける際には、まず、外管２の内部に内管３を挿入し、その内管３の上端際の部分を接続部材４の本体１２の内部に挿入させた状態で、本体１２を回転させることによって、本体１２の下端際のネジ溝と外管２の上端際のネジ山とを螺合させる。しかる後、内部にＯリングを嵌め込んだ接続部材４の蓋体５を、開口部１７の内部に内管３を挿入させた状態で、本体１２の上端際で回転させて、内周のネジ溝を本体１２のネジ山に螺合させることによって、地中熱交換器１の組み付けを完了する。
【００２４】
上記の如く組み付けられた地中熱交換器１においては、内管２の下端縁が、３つの間隔保持部材９，９・・の支承面（傾斜面）１０，１０・・で支えられることによって、内管３の下端縁と底板８の表面との間に所定の高さ（約７０ｍｍ）の間隙が形成されているとともに、外管２に対して内管３が同心円状に配置されて、内管３の外周面と外管２の内周面との間隔が周方向において一定になっている。そして、内管３の内部の面積（すなわち、往路の断面積＝約６，９００ｍｍ２）に比べて、内管３の外周面と外管２の内周面との間の部分の面積（すなわち、復路の断面積＝約１９，０００ｍｍ２）の方が広くなっている。
【００２５】
＜地中熱交換器１の使用方法＞
上記の如く構成された地中熱交換器１は、図３の如く、内管３と一体となった接続部材４の排出口１４に、ソケットＳを介して排出管７を固着（接着剤によって接着）させた状態で使用される。排出管７は、合成樹脂（塩化ビニル）によって、内管３と同様に、外径＝１００ｍｍ、厚さ＝３．０ｍｍで、所定の長さ（たとえば、１，０００ｍｍ）の長尺な円筒状に形成されている。また、図４は、ソケットＳを示したものであり、ソケットＳは、合成樹脂（塩化ビニル）によって、接続部材４の排出口１４および内管３の外径と略同一の内径を有する扁平な円筒状（外径＝１０３ｍｍ、厚さ＝３．０ｍｍで長さ１００ｍｍ）に形成されており、内部の中央に、一定幅（前後幅＝５．０ｍｍ）で一定の高さ（５．０ｍｍ）を有するリブ１８が一体的に周設されている。当該ソケットＳを介して、接続部材４の排出口１４に排出管７を接続する場合には、排出口１４の端縁際の外周等および排出管７の端縁際の外周等に接着剤を塗布して、それらの排出口１４および排出管７を、それぞれ、ソケットＳの左右の開口部分へ挿入する。
【００２６】
そして、上記の如く、接続部材４の排出口１４に排出管７を固着させた地中熱交換器１は、建造物の敷地内において、建物の基礎Ｂの外側（基礎Ｂと近接した外側）に、鉛直に立て込まれ、内管３（図示せず）が建造物の換気口（図示せず）の排気管等に接続され、排出管７（図示せず）が建造物の換気口（図示せず）の吸入管、通気管等に接続された状態で使用される。
【００２７】
かかる地中熱交換器１においては、図５の如く、建造物内の空気が、内管３を通って地中に導かれ、外管２の下端の部分で外管２に導かれて、外管２を介して上部へ導かれた後に、排出管７を介して、再度、建造物内へ導かれる。そして、そのように建造物内の空気が地中へ導かれて、再度、地上へ戻る際に、地盤との間で熱交換が行われる。そのため、夏期においては、建造物内の熱い空気が、地中内で適度に冷却された後に、再度、建造物内に導かれる。一方、冬期においては、建造物内の冷たい空気が、地中内で地熱によって適度に温められた後に、再度、建造物内に導かれる。したがって、一年を通して、温度差の小さな空気を建造物内に循環させることが可能となる。なお、上記実施形態においては、建造物内と地中とで空気を強制的に循環させない地中熱交換器１について説明したが、地中熱交換器１は、内管３等にポンプを取り付けることによって、建造物内と地中とで空気を強制的に循環させるように構成することも可能である。
【００２８】
＜地中熱交換器の効果＞
地中熱交換器１は、上記の如く、地上の媒体を最下部まで送り込むための内管（往路）２と、地盤との間で熱交換した後の媒体を地上へ戻すための外管（復路）３とを有しており、二重の円筒状に形成されているため、地盤条件と合わせて容易に設置深度を変更することができる上、非常にコンパクトに設計することができ、限られた小さなスペースでも設置することができる。
【００２９】
また、地中熱交換器１は、金属製の外管２の内部に内管３が設けられたものであるので、強度が高いため、地盤に立て込む（ねじ込む）ことによって、非常に容易に設置することができる。また、長期間に亘って使用することが可能である上、地震等が発生した場合でも損傷しにくい。さらに、復路を形成する外管２が熱伝導率の高い金属製であるので、地盤との間で効率的に熱交換することができる。
【００３０】
さらに、地中熱交換器１は、外管２の円形状の底板８に、外管２と内管３との間隔を一定に保つための複数の間隔保持部材９，９・・が設置されているため、それらの間隔保持部材９，９・・によって、金属製の外管２の内側に一定の厚みの復路が形成された状態が保たれるので、地盤との間で非常に効率的に熱交換することができる。
【００３１】
加えて、地中熱交換器１は、各間隔保持部材９，９・・が内管３の下端を支承するための支承面（傾斜面）１０を有しており、外管２の円形状の底板８の周縁際に等間隔で設置されているため、構造が非常にシンプルで、強度が高いため、安価かつ容易に製造することができる上、メンテナンスも容易である。さらに、地震等が発生した場合でも、外管２と内管３との間隔が一定に保たれるので、長期間に亘って地盤との間で効率的かつ安定的に熱交換することができる。
【００３２】
また、地中熱交換器１は、内管３の内部の面積（すなわち、往路の断面積）に比べて、内管３の外周面と外管２の内周面との間の部分の面積（すなわち、復路の断面積）の方が広くなっているため、地盤と接した復路内の媒体の流速が、往路内の媒体の流速に比べて遅くなるので、地盤との間の熱交換の効率がきわめて良好である。
【００３３】
＜地中熱交換器の変更例＞
本発明に係る地中熱交換器の構成は、上記した各実施形態の態様に何ら限定されるものではなく、外管（底板、間隔保持部材）、内管、接続部材（本体、蓋体）、排出管等の構成を、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、必要に応じて適宜変更できる。
【００３４】
たとえば、外管は、上記実施形態の如く、鋼鉄によって形成されたものに限定されず、合成樹脂（塩化ビニル等）やセラミックス等によって形成されたものに変更することも可能である。さらに、外管は、上記実施形態の如く、先端にバイトを設けたものに限定されず、先端に地盤を掘削するための螺旋翼等を設けたものに変更することも可能である。一方、内管、接続部材、排出管は、上記実施形態の如く、合成樹脂製のものに限定されず、鋼鉄やセラミックス等によって形成されたものに変更することも可能である。
【００３５】
また、外管の底板に設ける間隔保持部材は、上記実施形態の如く、四角柱状のもの（台形状の鉛直断面を有するもの）に限定されず、図６の如きＬ字状のもの等に変更することも可能である。また、間隔保持部材は、上記実施形態の如く、３個の部材からなるものに限定されず、２個あるいは４個以上の部材からなるものに変更することも可能である
【００３６】
加えて、本発明に係る地中熱交換器は、上記実施形態の如く、建造物内と地中との間を循環する熱交換媒体が空気であるものに限定されず、熱交換媒体が水や不凍液であるもの等に変更することも可能である。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明に係る地中熱交換器は、上記の如く優れた効果を奏するものであるので、建造物内の空気等の媒体を地中との間で循環させて地盤との間で熱交換させるための装置として、好適に用いることができる。
【符号の説明】
【００３８】
１・・地中熱交換器
２・・外管
３・・内管
４・・接続部材
８・・底板
９・・間隔保持部材
１０・・支承面（傾斜面）
【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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