(57)【要約】【課題】  熱交換器の設置が容易で、かつ軽量コンパクトでありながら高い熱交換性能を備える地中熱採熱装置を提供すること。【解決手段】  地中熱採熱装置は、熱媒を流動させる管路を備え、前記管路に熱媒を流動させて熱媒と地中との間の熱交換によって地中熱の採熱を行う地中熱採熱装置であって、  管路は金属製コルゲイト管で構成されている。好ましい形態は、管路はコイル状である。他の好ましい形態は、金属コルゲイト管の外周には密着する合成樹脂層を備えるものである。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
熱媒を流動させる管路を備え、
前記管路に熱媒を流動させて熱媒と地中との間の熱交換によって地中熱の採熱を行う地中熱採熱装置であって、
前記管路は金属製コルゲイト管で構成されていることを特徴とする地中熱採熱装置。
【請求項２】
前記金属製コルゲイト管はコイル状に巻かれていることを特徴とする請求項１に記載の地中熱採熱装置。
【請求項３】
前記金属製コルゲイト管は、複数本用意され、
各金属製コルゲイト管はそれぞれ巻かれて連結可能なコイル状管路ユニットを構成し、
各コイル状管路ユニットは連結されて前記管路を構成することを特徴とする請求項２に記載の地中熱採熱装置。
【請求項４】
前記金属製コルゲイト管は、その外周面に密着する合成樹脂層を備えていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれかに記載の地中熱採熱装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、地中に熱媒を循環させて地中や地下水と熱交換することに使用される地中熱採熱装置に関する。   
【背景技術】
【０００２】
近年、省エネルギの観点から自然エネルギの有効利用が盛んに行われており、その一つに地中熱や地下水の熱エネルギの利用がある。地中の温度は年間を通じてほぼ一定温度（例えば、１５℃程度）で安定しているので、地中熱は、地中に循環させた熱媒と、地中や地下水との間で熱交換をさせて、空調設備（冷暖房装置）や工業用冷却設備などに有効利用されている。
【０００３】
地中熱を採熱する熱交換器には、地中にボアホールを掘削し、ボアホール内に地中熱採熱用の熱媒を循環させる樹脂製のＵチューブを埋設するボアホール方式や、建物の基礎杭を利用して、その内側或いは外側に熱媒を流動させる管路を設置した基礎杭方式（特許文献１、２を参照）や、樹脂製の管を螺旋状に巻いて熱媒の管路を形成したスパイラル方式（特許文献３を参照）等の各種構造が知られている。   
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−０１０１３３号公報
【特許文献２】特開２００５−０６９５０７号公報
【特許文献３】特開２０１４−１０２０２４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ボアホール方式では、ボアホールを地中に１００ｍから１５０ｍの深さまで掘削し、例えば架橋ポリエチレン製のＵチューブが埋設される。そのため、必要な熱交換性能を得るためには地中を深く掘削しなければならず、設置費用が高い。また、基礎杭方式は、建物の基礎杭を利用してＵチューブを設置するので、Ｕチューブを設置するために新たに地中を掘削する必要がなく、ボーリング費用が削減できるが、設置可能な数量が建物の基礎杭の数などの構造上の制約を受けるので、熱交換性能の計算には十分な検討が必要となる。
【０００６】
一方、スパイラル方式では、樹脂管を螺旋状に巻いてコイル状にすることで、ボアホール方式よりも地中の単位深さあたりの樹脂管の長さを長くすることができるので、ボアホール方式よりも熱交換性能が良い。よって、地中の掘削深さを浅くすることができ、掘削費用を抑えることができる。
【０００７】
しかし、上記した各方式では、地中に埋設される管には例えば架橋ポリエチレンなどの合成樹脂材料で形成された管が一般的に使用される。合成樹脂材料で形成された管は、腐食に強いので長寿命である。その反面、金属材料に比べて熱伝導率が小さいので 、熱伝導率の小さな管で造られた熱交換器と同じ性能を得るためには、管を長くして管の表面積を大きくする必要がある。また、金属材料に比べて強度が低いので厚肉のものになる。したがって、熱交換器のサイズは大きくなる。さらに、大きな熱交換器を設置するためには重機等を使用した大がかりな設置作業が必要になり、設置にかかる費用も高価になる場合がある。 
【０００８】
本発明は、上記従来技術の課題を考慮してなされたものであり、熱交換器の設置が容易で、かつ軽量コンパクトでありながら高い熱交換性能を備える地中熱採熱装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明の地中熱採熱装置は、熱媒を流動させる管路を備え、この管路に熱媒を流動させて熱媒と地中との間の熱交換によって地中熱の採熱を行う地中熱採熱装置であって、管路は金属製コルゲイト管で構成されていることを特徴とするものである。本発明における「採熱」には、「加熱」と「冷却」の意味を含み、地中熱により熱媒を温める以外に、地中熱により熱媒を冷やすことも含まれる。
【００１０】
本発明の地中熱採熱装置は、かかる構成によって、熱媒を金属製コルゲイト管で構成された管路内を流動させて地中との間で熱交換をする。金属製コルゲイト管は、従来から地中熱採熱装置に使用されている樹脂製の管よりも熱が伝わりやすいので、本発明の地中熱採熱装置は従来の地中熱採熱装置よりも効率的に地中の熱を採熱することができる。また、金属コルゲイト管は、山部と谷部が連続して内径が連続的に拡大と縮小を繰り返す形状をしており、熱媒は乱れを伴って内部を流れることになる。熱媒は乱れによって撹拌されるので、乱れを伴わない熱媒の流れに対して熱の伝達が著しく助長される。
【００１１】
本発明の地中熱採熱装置において好ましい形態は、巻かれた金属製コルゲイト管で構成されたコイル状管路が熱媒の流路である地中熱採熱装置である。かかる構成によって、地中熱採熱装置はコンパクトにすることができるでので、搬送や設置が容易になる。また、設置のための地面の掘削量も少なくなるので設置するための費用も抑えられる。
【００１２】
本発明の地中熱採熱装置においてさらに好ましい形態は、金属製コルゲイト管は、その外周面に密着する合成樹脂層を備えているものである。かかる構成によって、金属製コルゲイト管は外周面の合成樹脂層で保護されており、金属面が土砂や地下水と直接接触しないので、傷や腐食に対する耐性を備えている。また、合成樹脂層は金属面に密着して設けらており、合成樹脂層と金属層の間に空気層に断熱されることがないので、金属層を保護する合成樹脂層を備えているにもかかわらず熱媒と地中の間で効率の良い熱交換が行われる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の地中熱採熱装置によれば、熱媒を流動させる管路が金属製コルゲイト管であるので、管路は、管路の内部を流動する熱媒、ならびに管路外部の土砂や地下水との接する単位長さあたり面積が、同一の最小内径を有する直管に対して大きくなり、熱媒と地中との間で効率的な熱交換を行うことができる。さらに、地中熱採熱装置をコンパクトにすることができるので、設置時の作業性が向上し、設置コストの低減を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】第１の実施の形態の地中熱採熱装置を示す斜視図である。
【図２】第１の実施の形態の地中熱採熱装置に使用される管の半裁断面図である。
【図３】本発明の第２の実施の形態の地中熱採熱装置の正面図である。
【図４】第１コイル状管路ユニットを示す正面図である。
【図５】地中熱採熱装置の性能評価装置の模式図である。
【図６】実施例１、３および４の地中熱採熱装置に使用した管の半裁断面図である。
【図７】実施例５の地中熱採熱装置に使用した管の半裁断面図である。
【図８】比較例の地中熱採熱装置に使用した管の形状を示す半裁断面図である。
【図９】実施例および比較例における、流量と単位時間当たりの交換熱量の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明を実施するための形態につき、以下に図および表を参照しながら詳細に説明する。なお、ここに記載する実施の形態はあくまで例示に過ぎず、本発明の実施の形態はここに記載された形態に限定されない。
【００１６】
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態の地中熱採熱装置の外観形状を示す斜視図である。図１の地中熱採熱装置１は、図示しない循環ポンプにより送られた熱媒を、内部に流動（循環）させる管路を形成する管Ｐと、管Ｐを保持して固定するための枠２とを備えている。
【００１７】
管Ｐは、図２に示すように、山部Ｐ１と谷部Ｐ２が連続する蛇腹状に形成された薄肉の金属製コルゲイト管である。薄肉の金属製コルゲイト管は直管よりも優れた可撓性を備えているので、所望の形状に容易に変形させることができる。例えば金属コルゲイト管をコイル状に巻いたときに、巻き径を小さく巻くことが可能である。金属製コルゲイト管の材料には耐食性に優れるステンレス鋼（例えばＳＵＳ３１６Ｌ、ＳＵＳ３０４）や、比較的柔らかくて変形させやすく熱伝導性の良い銅（Ｃｕ）を使用することができる。
【００１８】
枠２は、対をなす上板２１および下板２２と、上板２１と下板２２の間にわたって組み付けられた３本の支柱２３とで形成されている。支柱の本数は、３本に限定されるものではなく、地中熱採熱装置の大きさや重量など状況に応じて適切な本数を選択すればよい。効率よく地下水の熱を熱媒に伝えるには、地下水の流れを可能な限り阻害しないことが好ましく、枠２の支柱２３は細く小さいものであることが好ましい。枠２は、例えば塩化ビニルなどのプラスチック材料や、アルミニウム等の軽金属材料を使用することができるが、これに限定されない。
【００１９】
地中熱採熱装置１は、所定のピッチで枠２の周囲に管Ｐが巻かれて螺旋状の管路が形成され、図示しない結束バンド等の固定用の部材によって枠２に固定されている。枠２の端部（図１における下端）まで巻きつけられた管Ｐは、枠２の端部で枠２の内側に折り返されて熱媒の戻り流路が形成されている。本実施の形態における、熱媒を流動させる方向は矢印Ａの方向であるが、熱媒を流動させる方向はこれに限定されず矢印の逆方向であってもよい。
【００２０】
金属製コルゲイト管は、その断面形状により柔軟性を有しており容易に変形させることができるので、直管よりも所望の形状（例えばコイル状）を容易に得ることができる。また、コイル状にする際の巻き径（コイルの外径）を小さくすることができるので、地中熱採熱装置を設置するために地中の掘削量を少なくすることが可能となり、設置作業性や設置コストも優れている。
【００２１】
金属製コルゲイト管は、同一外径の直管に対して表面積が大きいので「熱媒」ならびに「土砂や地下水」と接触する単位長さあたりの面積が大きく、直管に対して熱交換性能が優れ、地中熱採熱装置を小さくすることができる。また、金属製コルゲイト管は、例えば架橋ポリエチレン等の樹脂管よりも熱伝導性が優れているので、管路に樹脂管が使用された地中熱採熱装置に対しても装置の大きさを小さくすることができる。
【００２２】
（第２の実施の形態）
図３は本発明の第２の実施の形態の地中熱採熱装置の外観形状を示す正面図である。図１に示す第１の実施の形態の地中熱採熱装置１では、連続した一本の金属製コルゲイト管で管路が形成されているのに対して、図３に示す第２の実施の形態の地中熱採熱装置１ａでは複数の金属製コルゲイト管を連結して管路が構成されている点が異なっている。以下に、図１と異なる点について詳細を説明する。なお、図１と同一の部分については同一の参照符号を付して説明を省略する。
【００２３】
地中熱採熱装置１ａは、往き管Ｐi、第１コイル状管路ユニット３−１、第２コイル状管路ユニット３−２、戻り管Ｐｏを備え、各コイル状管路ユニットが連結されて構成されている。
【００２４】
図４に示すように、第１コイル状管路ユニット３−１は、所定のピッチで枠２の周囲に管Ｐが巻かれて螺旋状の管路が形成され、図示しない結束バンド等の固定用の部材で枠２に固定されている。第２コイル状管路ユニット３−２も第１コイル状管路ユニット３−１と同様に設けられている。
【００２５】
図３に示すように、第１コイル状管路ユニット３−１と第２コイル状管路ユニット３−２とは、互いに隣接する上板２１と下板２２の箇所で、ボルトおよびナットからなる締結部材４により連結され固定されている。また、第１コイル状管路ユニット３−１の管Ｐと、第２コイル状管路ユニット３−２の管Ｐとは、向かい合う端部同士が金属製コルゲイト管連結用の管継手５により連結されている。また、管Ｐは連結された端部の他方の端部には、熱媒が送られる往き管Ｐｉと熱交換された熱媒が戻る戻り管Ｐｏがそれぞれ管継手５により連結されている。このように、ユニット化された複数のコイル状管路ユニットを連結して熱媒が流動する管路を構成することで、所望の熱交換性能を持つ地中熱採熱装置を容易に得ることができる。また、コイル状管路ユニットを増減することで能力の仕様変更が簡単に行えるので、急な能力増強などの要求にも比較的容易に対応することが可能である。本実施の形態では往き管Ｐｉ、戻り管Ｐｏをコイル状管路ユニットを構成する管Ｐの端部に管継手５を介して連結されているが、往き管Ｐｉ、戻り管Ｐｏは各コイル状管路ユニットを構成する管Ｐと一体で設けてもよい。熱媒の漏れを防止したり、腐食を防止するためには、管Ｐの連結箇所は少ない方が好ましい。
【実施例】
【００２６】
図５は、地中熱採熱装置の熱交換性能を確認した性能評価装置の模式図である。地中熱採熱装置の熱交換性能の確認は、以下に示す方法で行った。水槽６内に入れられた、地下水を想定して水温が一定に保たれた水（仮想地下水Ｗ）に、地中熱採熱装置１を沈め、地中熱採熱装置１に所定の温度で一定の流量（Ｑ（Ｌ／ｍｉｎ））の熱媒を矢印の方向に流動させて、地中熱採熱装置の入り口温度Ｔｉ（℃）と出口温度Ｔｏ（℃）を測定し、測定した熱媒の温度と流量から熱媒が単位時間（１秒）当たりに仮想地下水に奪われた熱量（以下、単位時間当たりの交換熱量という。）を求めた。流動させる熱媒と仮想地下水は、一定の温度に保たれるように温度制御し、出口温度Ｔｏは温度が安定した後に測定した。今回の性能確認では、熱媒として水を使用した。実使用では冬季の凍結防止のために、所定の重量比のプロピレングリコールを混ぜ合わせたプロピレングリコール水溶液などの不凍液を使用する。熱媒の単位時間当たりの交換熱量Ｐ（Ｗ）は次式で求められる。
Ｐ＝ρ×Ｃ×Ｑ×（Ｔｉ−Ｔｏ）／６０
ρは熱媒の密度（ｋｇ／Ｌ）、Ｃは熱媒の比熱（J／ｋｇ・℃）である。
【００２７】
図６は、実施例１の地中熱採熱装置に使用した金属製コルゲイト管の形状を示す半裁断面図である。図７は、実施例３、４および５で使用した金属製コルゲイト管の形状を示す半裁断面図である。図８は、比較例１、２で使用した管の形状を示す半裁断面図である。表１に、各実施例に使用し金属製コルゲイト管の各部の寸法を示している。表２に、比較例１、２で使用した管の各部寸法を示している。
【表１】
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【表２】
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【００２８】
実施例１乃至実施例５では、金属製コルゲイト管には管厚さｔ１が０．３ｍｍで、外径（山径ｄ０）が２０ｍｍ、外径（谷径ｄ１）が１８ｍｍ、ピッチｐが５．５ｍｍに形成されたＳＵＳ３１６Ｌ製の同一寸法、形状のものを使用した。実施例１では、図６に示すように、金属製コルゲイト管の外層に厚さ０．８ｍｍの塩化ビニル製の合成樹脂層が形成されたものを使用した。実施例２では、金属製コルゲイト管の外周部に合成樹脂層を備えない金属製コルゲイト管のみのものを使用した。実施例３、４では、金属製コルゲイト管の外層に厚さ０．３ｍｍと０．５ｍｍの塩化ビニル製の合成樹脂層が形成されたものを使用した。
【００２９】
実施例５では、図７に示すように、金属製コルゲイト管の外面に厚さ０．０３ｍｍ（３０μｍ）の合成樹脂層を塗装により形成したものを使用した。本実施例では、塗料にはエポキシ樹脂塗料を使用し、金属フレキシブル管の外面に静電紛体塗装で塗装したものを使用した。
【００３０】
一方、比較例では、図８に示すような、管厚さｔの円筒形の管を使用した。比較例１では、管厚さｔが３．０ｍｍ、外径Ｄが２７ｍｍ、内径ｄが２１ｍｍの架橋ポリエチレン製の管を使用した。比較例２では、図８の拡大図で示すように、ポリエチレン管ＰＰＥの内部にアルミ層ＰＡＬを備える管厚さｔが２．２５ｍｍ、外径Ｄが２０ｍｍ、内径１５．５ｍｍの多層管を使用した。
【００３１】
仮想地下水温度１５℃、熱媒温度３０℃で、実施例１乃至５、ならびに比較例１および２の地中熱採熱装置に、３パターンの流量（３Ｌ／ｍｉｎ、６Ｌ／ｍｉｎ、１２Ｌ／ｍｉｎ）で熱媒を流したときの単位時間当たりの交換熱量の結果を表３、図９に示す。
【００３２】
【表３】
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【００３３】
（結果）
単位時間当たりの交換熱量を比較すると、実施例１乃至５の結果は、いずれも比較例１および２と同等か、あるいはそれ以上の熱交換性能を得られることが確認された。確認試験の結果において、実施例１が、熱交換性能が最も悪い結果となった。その理由は、実施例１では、外層の合成樹脂層が金属製コルゲイト管の全長にわたって密着しておらず、金属製コルゲイト管と合成樹脂層との間に空気層が形成されるために、空気層が熱の伝達を妨げるからであると考えられる。実施例３および４のように、合成樹脂層を薄くすることで比較例１、２よりも熱交換性能が向上することが確認された。
【００３４】
実施例２および５の熱交換性能が優れているのは、金属製コルゲイト管の外周に合成樹脂層を備えていないか、または密着する薄い塗装層で合成樹脂層が形成されているので、仮想地下水の熱が断熱されずに効率よく熱媒に伝えられるからである。合成樹脂層は、土砂や地下水が直接金属製コルゲイト管に接触して金属製コルゲイト管を腐食させることを防止するために設けられる。したがって、合成樹脂層の形成には耐久性が優れた塗料を使用することが好ましい。実施例５で使用したエポキシ樹脂塗料は耐久性が優れており好ましい。また、エポキシ樹脂塗料の他には、常温で乾燥させて使用することが可能なポリウレタン樹脂塗料も使用することができる。塗装により形成される合成樹脂層の厚さは、塗装の耐久性と熱交換性能のバランスを考慮して設計され、０．００５ｍｍ（５μｍ）から０．１５ｍｍの範囲で選定することが好ましい。
【符号の説明】
【００３５】
Ｐ：管、Ｐ１：山部、Ｐ２：谷部
Ｐｉ：往き管、Ｐｏ：戻り管
１、１ａ：地中熱採熱装置
２：枠、２１：上板、２２下板：、２３：支柱
３−１：第１コイル状管路ユニット、３−２：第２コイル状管路ユニット
４：締結部材
５：管継手     
６：水槽
Ｗ：仮想地下水
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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