(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンクリート製中空杭の肉厚部に、熱媒体が流動する往路パイプと復路パイプとを交互に巻き回した螺旋状部と、上方部が前記中空杭の上端面に開口又は上端面から突出する通水部とからなる熱交換パイプを埋設してなる構成であって、熱媒体が流動する前記螺旋状部の往路パイプと復路パイプの両方又は一方を蛇腹状のパイプで形成したことを特徴とする熱交換杭。
【請求項２】
地中に埋設した請求項１記載の熱交換杭と、地表に敷設した蛇行状の放熱用パイプを設置してなるコンクリート製の放熱ブロックと、前記熱交換杭の熱交換パイプと前記放熱ブロックの放熱用パイプとを、その内部を流動する熱媒体が循環するように連結した循環経路とから構成したことを特徴とする加温装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地中に埋設して地熱を吸収する熱交換杭と、この地熱を吸収した熱媒体を地表部に設置した放熱ブロック内を循環せしめて暖房あるいは融雪等を行う加温装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、地中に熱交換杭を埋設して地熱を吸収し、この地熱を吸収した熱媒体を地表部で利用する試みがなされており、人工的な発熱源の使用を極力抑えた機構として融雪や暖房等の目的に採用されている。
【０００３】
この地中に埋設する熱交換杭として、特開昭６０−８６５９号公報には、コンクリート製基礎杭の中空部にＵ字形状の熱交換パイプを挿入し、この熱交換パイプと前記中空部の空間部分を熱伝導の良い適宜の材料で埋めた構成とするものが開示されており、前記熱交換パイプ内の地熱で加熱された熱媒体を循環させることにより、地表部で暖房或いは融雪等を行わせるものである。
【０００４】
しかし、前記特開昭６０−８６５９号公報に記載の熱交換杭は、単純にＵ字形状に折曲した熱交換パイプを杭の中心部に埋設したものであるため、地中における前記熱交換パイプの吸熱面積が小さい。したがって、地表部での放熱範囲も狭く形成せざるを得ないといった制約があるとゝもに、前記熱交換パイプは杭の外周から遠い位置にあり、且つ充填した材料によりその全体が囲まれた構成のものであるため、地熱の吸収効率が悪いといった問題点がある。
【０００５】
このような問題点を解決したものとして、特開平３−８３２２６号公報には、コンクリート製中空杭のコンクリート層内に螺旋状の熱媒体流入側の吸熱パイプを埋設し、該吸熱パイプの下端と連結した熱媒体流出側の流出パイプを中空杭の中空部を直線状に昇って杭の上部へ導き出した構成の熱交換機能を有する基礎杭が開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開平３−８３２２６号公報に開示された構成の熱交換杭とすることにより、前記特開昭６０−８６５９号公報に開示されたものより熱交換パイプの吸熱面積が大きくなり、且つ地熱の吸収効率も向上するといった諸効果を奏する。しかし、このような構成のものにあっては、熱交換パイプにおける吸熱パイプの吸熱面積を増大させるには一定の限度がある。
【０００７】
したがって、放熱範囲をより広く確保するためには、コンクリート製中空杭の本数を増加したり、その他の加熱装置を用いて放熱に必要な熱量を熱媒体に加える必要があった。しかし、杭の埋設本数を増やすことは杭の本数及び施工作業量が増すため、材料費及び作業費の増大を招くとゝもに、作業時間も延長されるなどの問題点を含んでおり、さらに加熱装置等を付加すれば、より多くの人工的な熱エネルギを使用することになり、本来の目的達成の意図とはかけ離れてしまうことになる、といった諸問題点がある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記のような従来の問題点を解決するために成されたもので、限られた容積の杭で出来るだけ多量の地熱を吸収可能なものを提供することを目的としたものであり、その要旨は、コンクリート製中空杭の肉厚部に、熱媒体が流動する往路パイプと復路パイプとを交互に巻き回した螺旋状部と、上方部が前記中空杭の上端面に開口又は上端面から突出する通水部とからなる熱交換パイプを埋設してなる構成であって、熱媒体が流動する前記螺旋状部の往路パイプと復路パイプの両方又は一方を蛇腹状のパイプで形成したことを特徴とする熱交換杭及び加温装置にある。
【０００９】
【発明の実施の態様】
以下、本発明を図面に示す実施例により詳細に説明するに、図において、Ａは熱交換杭で、鉄筋コンクリート製の中空杭１と、該中空杭１の肉厚部に埋設した熱交換パイプ２とから構成されている。前記中空杭１は、実施例のものにあっては外径２００ｍｍ，内径９０ｍｍ，長さ３０００ｍｍのもので、前記熱交換パイプ２は、図１乃至図３に示す実施例のものにあっては、コイル状に巻き回した螺旋状部３と直線状の２本の通水部４とから構成されている。
【００１０】
前記螺旋状部３は、図２に示すように、長さ約１２０００ｍｍの直線パイプ５の中央を前記中空杭１の外形より小径な円形５ａに折曲して、２本の並列した熱媒体の往路パイプ５ｂと復路パイプ５ｃにそれぞれ形成した後、この両パイプ５ｂ，５ｃをそれぞれ同一方向に且つ同心円状に螺旋状に巻き回して、図３に示すように、該往路パイプ５ｂと復路パイプ５ｃが交互に位置する螺旋状に形成した構造のものであり、この各パイプ５ｂ，５ｃの自由端部には雄ネジ５ｄが夫々形成されている。
【００１１】
一方、前記２本の通水部４は、直線状のパイプと、その両端部にそれぞれ設けた大径筒部４ａ，４ｂとから構成されており、該大径筒部４ａ，４ｂの内部には雌ネジが刻設されている。そして、この雌ネジに前記螺旋状部３の雄ネジ５ｄを螺合して、この螺旋状部３と通水部４とを連結することにより前記熱交換パイプ２が構成されている。ここで、前記熱交換パイプ２は螺旋状部３と通水部４とに分離されているが、これは螺旋状部３の製造上の関係で分離した構成としたものであり、一本の直線パイプにより螺旋状部３と通水部４とを形成した一体構造のものであってもよい。
【００１２】
前記熱交換パイプ２は、硬質塩化ビニールパイプ等の樹脂製パイプやステンレス製パイプ，銅製パイプ，鉄製パイプ等の金属製パイプ等を使用することができるが、熱伝導性や耐蝕性の観点からステンレス製のものが好ましい。また、熱交換パイプ２は、図４に示すように、その管壁形状が長さ方向に波形をした蛇腹パイプ（フレキシブルパイプ）を使用しており、吸熱面積の増大と折り曲げ加工を容易にしている。従って、前記熱交換パイプ２の表面積は螺旋形状と蛇腹形状とによって非常に大きなものとなり、吸熱容量の増大及び地表面での広範囲な保温が可能となる。
【００１３】
次に、前記鉄筋コンクリート製の中空杭１と熱交換パイプ２からなる熱交換杭Ａを採用した加温装置として、融雪装置に適用した実施例について、図５により説明するに、図中６は平面視長方形状の放熱ブロックで、鉄筋コンクリートで形成したものであり、該放熱ブロック６の表面には樹脂や放熱性に優れた金属で形成した放熱用パイプ７が蛇行した溝８内に設置されている。
【００１４】
８ａは前記放熱ブロック６の側面に設けた溝８の側面開口部で、前後左右の４側面に形成されており、該放熱ブロック６の敷設態様による前記放熱用パイプ７の端部連結を可能としている。９は高さ調整機構で、図６に示すように、前記放熱ブロック６の凹部６ａ底部に形成したナット部ＮにボルトＢを回転可能に螺合した構造のもので、前記放熱ブロック６の敷設時に該ブロック６の底面から突出する前記ボルトＢの先端部により敷設高さを調整するものである。
【００１５】
そこで、前記融雪装置を施工するには、まず所定範囲の地面を掘削し、その融雪範囲外の地中に前記熱交換杭Ａを埋設する。一方、前記掘削地面の融雪範囲にはまず栗石層を敷設し、その上に砂等を入れて水平に地均した後、前記複数個の放熱ブロック６を所定面積だけ隣接状態にして敷設する。その後、前記各放熱ブロック６の蛇行状の溝８に合わせて前記放熱用パイプ７を設置し、その排出口および吸入口にあたる開口端部７ａを前記各放熱ブロック６の側面開口部８ａより突出させた後、前記溝８内にモルタル等の結合材１０を充填して前記放熱用パイプ７を固着するとゝもに、放熱ブロック６の表面を均一にする。
【００１６】
そして、図７に示すように、前記地中に埋設した熱交換杭Ａの熱交パイプ２、地表に敷設された放熱ブロック６の放熱用パイプ７、循環用ポンプ１１、前記熱交換杭Ａ側に設けた温度計Ｔ1 、前記放熱ブロック６の上面に設置した各温度計Ｔ2 ，Ｔ3 ，Ｔ4 、流量計１２、流量調整弁１３等を途中に介して連絡用パイプ１４で連結し、循環経路が形成されるように配管する。ここで、前記連絡用パイプ１４には発泡スチロール等の断熱材を被覆して無駄な放熱を防止している。前記循環経路を形成した後、熱交換杭Ａおよび連絡用パイプ１４を埋め戻すとゝもに、前記放熱ブロック６の上面に栗石層および土砂層を形成して均一な地面を形成する。次いで、前記均一な地面の表面に砂を薄く敷いた後、装飾用ブロック等を敷設して路面を形成する。
【００１７】
そこで、前記地中に埋設された熱交換杭Ａの熱交換パイプ２内に、通水部４の一方から不凍液等の熱媒体を流すことにより、往路パイプ５ｂ及び復路パイプ５ｃを通過する間に熱媒体は地熱を吸収して加熱され、該加熱された熱媒体は前記循環用ポンプ１１により流量調整弁１３，流量計１２を経てそれぞれ放熱ブロック６の蛇行状の放熱用パイプ７内を循環する。そして、当該放熱ブロック６を加温した後、各流量調整弁１３，流量計１２を経て前記循環用ポンプ１１に戻るといった循環が繰り返し行われる。
【００１８】
上記のように、地熱により加熱された熱媒体が前記融雪装置の放熱ブロック６を循環することにより、図８に示すような実験結果を得た。ここで、熱媒体の循環は路面の積雪が１３ｃｍで、地中深さに対する地中温度及び熱交換杭Ａの熱交換パイプ２内の温度条件が図９に示す状態のもとで開始し、ほぼ２４時間循環し続けたときの前記積雪の融雪状況を観察した。なお前記熱媒体の全容量のうち、前記熱交換パイプ２内において約２．０リットル、放熱用パイプ７内で１．３リットル確保されており、その循環速度は２ｍ／ｓｅｃである。
【００１９】
そこで、前記図８の実験結果を説明すると、循環開始時間より３時間後には前記温度計Ｔ1 ，Ｔ2 ，Ｔ3 ，Ｔ4 が外気温を越え、概ね前記放熱ブロック６の融雪面の層に充分な熱量が伝達され、融雪が徐々に始めりつつあることを示している。そして、約１０時間３０分後には温度計Ｔ3 とＴ4 の温度差が逆転するものの外気温よりは高くなり、この時点で概ね路面上の積雪は完全に融雪されるのが観察された。そして、それ以降は外気温が氷点下にあるにも関わらず前記融雪面は０度以上の温度を保つことができ、人工的な発熱装置を使うことなく地熱のみで融雪あるいは積雪を予防することが可能となり、経済的にも有効であることが実証された。
【００２０】
図１０に示すものは熱交換杭Ａの他実施例で、中空杭１は前記実施例のものと同一のものであるが、該中空杭１の本体内に埋設した熱交換パイプ２のコイル状に巻き回した螺旋状部３の一部において前記実施例のものとその構成が相違している。すなわち、この実施例における螺旋状部３は、熱媒体が流動する復路パイプ５ｃが直線パイプで構成され、他方の往路パイプ５ｂは直線パイプで構成された前記復路パイプ５ｃを囲むようにして螺旋状に形成した螺旋パイプで構成したものである。
【００２１】
また前記熱交換パイプ２と鉄筋かご１５との関係は、図１１に示すように、前記螺旋状の往路パイプ５ｂのピッチ間と鉄筋かご１５の螺旋筋１６のピッチ間とが、中空杭１の長手方向において交互に配置されるように組立てられている。但し、本発明において、この構成とは逆に、復路パイプ５ｃが螺旋パイプで構成され、往路パイプ５ｂを直線パイプで構成したものでも、本発明の目的は達成できる。また熱交換パイプ２に鋼製のものを使用した場合には、例えばＲＣ製杭やハウス用杭であって、鉄筋かご１５の螺旋筋１６の代替として、螺旋状の前記復路パイプ５ｃ又は往路パイプ５ｂを軸筋１７に溶接して使用することもできる。
【００２２】
【発明の効果】
本発明に係る熱交換杭は、上記のような構成であるから、杭の長さに比して格段に長い熱交換パイプを備え、且つ該熱交換パイプはその全長が中空杭の肉厚部に埋設されているため、吸熱面積の増大と地熱の吸熱効率の向上を図ることができる。したがって、中空杭一本当たりの地表部における放熱範囲を広く確保することができる。また、熱交換パイプを蛇腹パイプで形成することにより、より広い吸熱面積を得ることができ、更に高い吸熱率を確保できる、といった諸効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る熱交換杭の縦断面図である。
【図２】  熱交換杭に埋設する熱交換パイプの成形前の状態を示す正面図である。
【図３】  熱交換杭に埋設する熱交換パイプの分解斜視図である。
【図４】  熱交換パイプの部分断面斜視図である。
【図５】  放熱ブロックの斜視図である。
【図６】  放熱ブロックの部分拡大斜視図である。
【図７】  本発明に係る加温装置の配管図である。
【図８】  加温装置の時間と温度との関係を示す図である。
【図９】  熱交換杭の温度分布図である。
【図１０】  他実施例の熱交換杭の縦断面図である。
【図１１】  熱交換杭の部分斜視図である。
【符号の説明】
Ａ  熱交換杭
１  コンクリート製の中空杭
２  熱交換パイプ
３  螺旋状部
４  通水部
５ｂ  往路パイプ
５ｃ  復路パイプ
６  放熱ブロック
７  放熱用パイプ
８  溝
１４  連結用パイプ
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【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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【図１０】
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【図１１】
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