(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
円弧状に形成された一対の主桁板を有する円弧版状の筐体と、
前記筐体内において、前記一対の主桁板の間に装着された複数のケーシング管と、
前記ケーシング管に設けられていて、他の地熱交換用セグメントに設けられた前記ケーシング管と連結可能な連結部と、
前記ケーシング管に挿入されていて熱交換用の熱媒を流通させる熱交換器と、
を備えたことを特徴とする地熱交換用セグメント。
【請求項２】
円弧状に形成された一対の主桁板を有する円弧版状の筐体と、
前記筐体内において、前記一対の主桁板の間に装着された複数のケーシング管と、
前記ケーシング管に設けられていて、他の地熱交換用セグメントに設けられた前記ケーシング管と連結可能な連結部と、
前記ケーシング管に接続されていて熱交換用の熱媒を前記ケーシング管内に流通させる熱交換器と、
を備えたことを特徴とする地熱交換用セグメント。
【請求項３】
前記ケーシング管内に挿入された前記熱交換器は略Ｕ字状に形成されている請求項１に記載された地熱交換用セグメント。
【請求項４】
前記ケーシング管は閉鎖空間を形成しており、前記熱交換器は前記閉鎖空間内に熱媒を流通させている請求項２に記載された地熱交換用セグメント。
【請求項５】
前記ケーシング管は１または複数の筐体内で分岐され、または合流されている請求項１から４のいずれか１項に記載された地熱交換用セグメント。
【請求項６】
前記連結部は、一の前記筐体のケーシング管に設けられたほぞと、他の前記筐体のケーシング管に設けられていて前記ほぞに連結可能なほぞ穴と、を有している請求項１から５のいずれか１項に記載された地熱交換用セグメント。
【請求項７】
前記ケーシング管は直接またはリブを介して前記筐体に接続されている請求項１から６のいずれか１項に記載された地熱交換用セグメント。
【請求項８】
前記ケーシング管は前記筐体内でコンクリート、熱交換媒体または地層で覆われている請求項１から７のいずれか１項に記載された地熱交換用セグメント。
【請求項９】
請求項１、３、請求項１を引用する請求項５から８、請求項３を引用する請求項５から８のいずれか１項に記載された前記地熱交換用セグメント同士が継手を介して連結されていると共に、前記ケーシング管同士が前記連結部で連結され、前記ケーシング管内に前記熱交換器が挿入されていることを特徴とする地熱交換装置。
【請求項１０】
請求項２、４、請求項２を引用する請求項５から８、請求項４を引用する請求項５から８のいずれか１項に記載された地熱交換用セグメント同士が継手を介して連結されていると共に、前記ケーシング管同士が前記連結部で連結され、前記ケーシング管内に前記熱交換器の熱媒が流通していることを特徴とする地熱交換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば地中熱の高い地層に埋設して、熱交換器としての配管内を流通する熱媒をケーシング管を介して高温の地層と熱交換することで採熱して地熱を利用する地熱交換用セグメント及び地熱交換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、山間地等に構築される送電用鉄塔や橋梁の基礎杭を利用して熱交換器を地中に埋設し、その熱交換器内を通過する熱媒を高温の周囲地層と熱交換させることで周囲の地層から採熱する熱交換システムが知られている。採熱した熱エネルギーは、蒸気や熱水等の熱媒を用いて地上に取り出し、発電や、橋梁路面や道路路面の融雪設備、農業用ハウスの暖房設備、建築物の暖房設備等に利用されている。
【０００３】
また、例えば特許文献１に記載された場所打ちコンクリート杭では、杭外周部の一部に熱伝導率の高い鋼管を設置し、鋼管の全外周面を地熱の高い地盤の透水層と接触させる。そして、熱交換パイプを鋼管の内面に接するように配設することで、熱交換パイプ内を循環する熱媒に地中熱を効率よく伝達させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１２−９７９８４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、特許文献１に記載された熱交換装置は、場所打ちコンクリート杭の外周面に鋼管を設置し、その内面に熱交換パイプを配設するため、組み立てコストが高く構造も煩雑になるという問題がある。
【０００６】
本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであって、地熱を低コストで効率よく熱交換して効率的に利用できるようにした地熱交換用セグメント及び地熱交換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】
【０００７】
本発明による地熱交換用セグメントは、筐体と、筐体内に配設されたケーシング管と、ケーシング管に設けられていて他の筐体のケーシング管と連結可能な連結部と、ケーシング管に挿入されていて熱交換用の熱媒を流通させる熱交換器と、を備えたことを特徴とする。
本発明によれば、地中熱の高い地層内に複数の地熱交換用セグメントを連結したものを設置して連結部で互いに連結されたケーシング管内に熱交換器を挿入することで、地熱が筐体を介してケーシング管に熱伝達され、更にケーシング管内に装着された熱交換器内の熱媒に熱伝達されることで高温に熱交換された熱媒が熱交換器を介して地上等に採熱されて再利用される。そのため、熱交換器の高温の地層内への装着が容易であり、熱交換器は必要に応じて交換可能であるためメンテナンス性と経済性に優れている。
【０００８】
本発明による地熱交換用セグメントは、筐体と、筐体内に配設されたケーシング管と、ケーシング管に設けられていて他のケーシング管と連結可能な連結部と、ケーシング管に接続されていて熱交換用の熱媒をケーシング管内に流通させる熱交換器と、を備えたことを特徴とする。
本発明は、地中熱の高い地層内に複数の地熱交換用セグメントを連結したものを設置して連結部で互いに連結されたケーシング管に熱交換器を接続して熱媒をケーシング管内に流通させることで、地熱が筐体を介してケーシング管に熱伝達され、更にケーシング管内を流通する熱媒に熱伝達されることで、高温に熱交換された熱媒がケーシング管から熱交換器を介して地上等に採熱されて再利用される。そのため、熱交換器のケーシング管への装着が容易であり、高温の地層とケーシング管内の熱媒体との熱交換が容易である。しかも、熱交換器は必要に応じて交換可能であるためメンテナンス性と経済性に優れている。
【０００９】
また、ケーシング管内に挿入された熱交換器は略Ｕ字状に形成されていてもよい。
ケーシング管内で熱交換器の一方の配管から供給される比較的低温の熱媒はケーシング管内で高温に温められて他方の配管を通して回収される。
【００１０】
また、ケーシング管は閉鎖空間を形成しており、熱交換器は閉鎖空間内に熱媒を流通させていてもよい。
熱交換器の一方の配管からケーシング管の閉鎖空間に供給される比較的低温の熱媒は閉鎖空間内で地層の高い熱と熱交換されて高温の熱媒となり、他方の配管を通して回収される。
【００１１】
また、ケーシング管は１または複数の筐体内で分岐され、または合流されていることが好ましい。
ケーシング管は分岐したり合流したりして枝分かれしているため、地層からの熱伝達を効率よく受けられる。
【００１２】
また、連結部は、一の筐体のケーシング管に設けられたほぞと、他の筐体のケーシング管に設けられていてほぞに連結可能なほぞ穴と、を有していてもよい。
一の筐体のケーシング管と他の筐体のケーシング管との間で凸部状のほぞとほぞ穴とを連結することで、地熱交換用セグメント同士を強固に連結できる。
【００１３】
また、ケーシング管は直接またはリブを介して筐体に連結されていることが好ましい。
ケーシング管は筐体のスキンプレートや主桁板または継手板に連結したり、スキンプレートや主桁板または継手板に固定されたリブに連結させたりすることができる。
【００１４】
また、ケーシング管は筐体内でコンクリート、熱交換媒体または地層で覆われていてもよい。
金属枠からなる筐体にコンクリート、熱交換媒体または地層を充填すると熱伝導性が高くなる。また、金属枠からなる筐体にコンクリート等を充填せず、空気中を熱伝達させてもよい。
【００１５】
本発明による地熱交換装置は、上述したいずれかに記載された地熱交換用セグメント同士が継手を介して連結されていると共に、ケーシング管同士が連結部で連結され、ケーシング管内に熱交換器が挿入されていることを特徴とする。
複数の地熱交換用セグメントの筐体同士を継手で連結すると共にケーシング管同士を連結部で連結した構成において、ケーシング管内に熱交換器を挿入することで、熱交換器の熱媒をケーシング管内で地中熱の高い地層と熱交換して高温になった熱媒を熱交換器を通して採熱して利用できる。
【００１６】
本発明による地熱交換装置は、上述したいずれかに記載された地熱交換用セグメント同士が継手を介して連結されていると共に、ケーシング管同士が連結部で連結され、ケーシング管内に熱交換器の熱媒が流通していることを特徴とする。
複数の地熱交換用セグメントの筐体同士を継手によって連結すると共にケーシング管同士を連結部で連結した構成において、ケーシング管に熱交換器を連結させてケーシング管内に熱交換器の熱媒を流通させることで、ケーシング管内で地中熱の高い地層と熱交換して高温になった熱媒を熱交換器を通して採熱して利用できる。
【発明の効果】
【００１７】
本発明による地熱交換用セグメント及び地熱交換装置によれば、熱媒を収容した熱交換器を筐体に設けたケーシング管の内部に配設させ、またはケーシング管に連結させたために地中熱の高い地層の地熱と熱交換器内の熱媒との間の熱交換を効率的に行うことができる。しかも、筐体のケーシング管に対する熱交換器の装着によって地熱と熱媒との間の熱交換が可能であるため熱交換器とケーシング管の取り扱いが容易であり、熱交換器の交換が容易であるためメンテナンスが容易で低廉に組み立てできる。
本発明による地熱交換装置は、地中熱の高い地層の領域にセグメントをリング状等に連結した地熱交換装置を設置することで、地熱と熱交換器内の熱媒との間で効率よく熱交換できる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第一実施形態によるセグメントの斜視図である。
【図２】地中に地熱交換装置を設置した図である。
【図３】図２に示すセグメントリングの構成を示す説明図である。
【図４】図３に示すセグメントリングの変形例の図である。
【図５】地熱交換装置のケーシング管に熱交換器を収納した縦断面図である。
【図６】図５に示すケーシング管同士の連結構造を示す要部断面図である。
【図７】ケーシング管に熱交換器を装着した図５の地熱交換装置の変形例を示す縦断面図である。
【図８】ケーシング管がセグメントの筐体内で合流する断面図である。
【図９】ケーシング管がセグメントの筐体内で合流または分岐する断面図である。
【図１０】ケーシング管がセグメントの筐体内で合流または分岐する断面図である。
【図１１】第二実施形態による地熱交換装置を示すもので、地中熱の高い地層に対向するセグメントリング内にケーシング管と熱交換器を設けた図であり、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＡ−Ａ線水平断面図、（ｃ）は変形例の水平断面図である。
【図１２】図１１の地熱交換装置の第一変形例を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＢ−Ｂ線水平断面図、（ｃ）は変形例の水平断面図である。
【図１３】図１１の地熱交換装置の第二変形例を示すもので、（ａ）は縦断面図、（ｂ）は同図（ａ）のＣ−Ｃ線水平断面図、（ｃ）は変形例の水平断面図である。
【図１４】セグメントに水平方向に装着されたケーシング管の連結工程を示す図である。
【図１５】地熱交換装置に地震や地中断層のずれが生じた状態を示す説明図である。
【図１６】第三実施形態によるセグメントを示すものであり、（ａ）〜（ｅ）はセグメントの補強構造を示す断面図である。
【図１７】第四実施形態によるセグメントにケーシング管を配設した側面図である。
【図１８】セグメントのスキンプレートに設けた注入孔を示す斜視図である。
【図１９】第五実施形態による地熱交換装置を示すもので、（ａ）、（ｂ）は地熱交換装置の最下端部のセグメントリングに刃口リングを用いた図である。
【図２０】セグメントリングを推力で地中に押圧する工程を示す断面図である。
【図２１】（ａ）〜（ｆ）は、地中に埋設された地熱交換装置の筐体に対するケーシング管の配置例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、本発明の実施形態による地熱交換装置１について添付図面を参照して説明する。
図１乃至図５は本発明の第一実施形態による地熱交換用セグメント２(以下、単にセグメントということがある)とこのセグメント２を用いた地熱交換装置１に関する。図１に示すセグメント２は、略円弧状に形成された一対の主桁板３と、平板状に形成された一対の継手板４と、を備えていて略四角形で円弧版状に湾曲して形成されている。その外周面(地山側)にスキンプレート５が形成されている。
【００２０】
内周面は開放空間とされているが、内周面にもスキンプレート５を配設してもよい。これら主桁板３、継手板４、スキンプレート５とで金属製セグメントの筐体６を構築し、内部は空間とされている。筐体６は高強度で熱交換をスムーズに行うために熱伝導率の良い金属、例えばスチール、アルミ、ステンレス等で形成されている。
セグメント２の筐体６の対向する一対の主桁板３の間には所定間隔で複数のケーシング管８が装着されている。ケーシング管８も熱伝導を行うために例えばスチール、アルミ、ステンレス等の熱伝導率の良い金属で形成されている。ケーシング管８は、図６に示すように、一方の端部が主桁板３から突出する凸部からなるほぞ８ａを形成し、他方の端部はほぞ８ａと嵌合するためのほぞ穴８ｂを形成している。ケーシング管８の内部には図５に示す管状の熱交換器１５が嵌挿可能とされている。
【００２１】
セグメント２の筐体６の対向する主桁板３にはボルト等のリング継手１１が配設され、対向する継手板４にはボルト等のセグメント継手１２が配設されている。そのため、セグメント２は継手板４同士をセグメント継手１２で連結することで、例えば図２及び図３に示すセグメントリング１４を構築できる。主桁板３同士をリング継手１１で連結することで図２に示すようにセグメント２同士を上下に連結することができる。地熱交換装置１では、セグメントリング１４が千鳥組またはいも継ぎにより上下方向に４段組付けられている。
【００２２】
図２及び図３に示す地熱交換装置１は、セグメント２が千鳥組によって上下に連結された配列構造を示すものであり、図４に示す地熱交換装置１はセグメント２がいも継ぎによって上下に連結された配列構造を示すものである。なお、図３、図４において、内側のセグメントリング１４と外側のセグメントリング１４が異なる径で示されているが、これは上下のセグメントリング１４同士が千鳥組またはいも継ぎであることの区別を説明する便宜的なものであり、実際は同一の径を有している。
【００２３】
図５は地熱交換装置１の上下に連結されたセグメント２のケーシング管８を示すものである。ケーシング管８の開口には管状の熱交換器１５が装着されている。熱交換器１５は中空の管体が例えば略Ｕ字状に湾曲して形成されており、ケーシング管８内に挿入可能である。熱交換器１５として、図５に示すシングルＵチューブの他に２組のＵチューブが交差して配置されたダブルＵチューブや３組のＵチューブを交差させたトリプルＵチューブ等を採用できる。
熱交換器１５は例えば鋼管パイプであり、その内部には熱交換用の熱媒が流通している。地熱採取用の熱媒として例えば蒸気、熱水、不凍液、或いはブライン等を用いることができる。熱交換器１５内の熱媒は高温の地熱と熱交換される。
【００２４】
図５に示す例では、セグメント２は上下二段で千鳥組の構成を示しており、二段のセグメント２内をケーシング管８が図６に示すようにほぞ８ａとほぞ穴８ｂで連結されて延びている。略Ｕ字管状の熱交換器１５は熱媒が上下二段のセグメント２のケーシング管８内部を循環しており、周囲の地中熱の高い地層の地熱を筐体６内のケーシング管８を介して熱交換器１５の熱媒と熱交換し、高温の熱媒が地上に引き上げられる。
セグメントリング１４が図２に示すように４段等の多段であれば、ケーシング管８は上下方向に４段のセグメント２内で互いに上下に連結されて連通している。下端部のケーシング管８は下蓋１７で閉鎖されていることが好ましい。そして、ケーシング管８内に挿入される熱交換器１５は４段のケーシング管８内に延びて下端部近傍で略Ｕ字状に湾曲して形成されている。
【００２５】
上述したように、本第一実施形態による地熱交換用セグメント２及び地熱交換装置１によれば、地中熱の高い地層Ｔにセグメント２を連結したセグメントリング１４を埋め込み、金属製の筐体６、ケーシング管８を介してケーシング管８内に挿入された熱交換器１５で熱交換できる。そのため、従来の場所打ちコンクリート杭と比較して構造が簡単で低コストであり、効率的に熱交換できる。
また、熱交換器１５はケーシング管８内に挿入されて保護されるため耐久性が高い。しかも、熱交換器１５自体はケーシング管８に対して交換可能であり、メンテナンス性が高く経済的に優位である。
【００２６】
以上、本発明の第一実施形態による地熱交換装置１及び地熱交換用セグメント２について詳細に説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることはなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜の変更や置換等が可能であり、これらはいずれも本発明に含まれる。以下に、本第一実施形態の変形例や他の実施形態等について説明するが、上述の実施形態と同一または同様な部分、部材には同一の符号を用いて説明を省略する。
【００２７】
例えば、図７は第一変形例による熱交換器１５を示すものであり、熱交換器１５が第一配管１５ａと第二配管１５ｂとに分割されている。しかも、上段のセグメント２のケーシング管８は上端開口に上蓋１６を有し、下段のセグメント２のケーシング管８は下端開口に下蓋１７を有している。上段のケーシング管８と下段のケーシング管８はほぞ８ａとほぞ穴８ｂとで互いに連結されている。そのため、上段のケーシング管８と下段のケーシング管８の内部は一体の閉鎖空間１０を形成する。
熱交換器１５の第一配管１５ａはケーシング管８の上蓋１６を貫通した直後に閉鎖空間１０内に開口を有し、第二配管１５ｂは上蓋１６を貫通して下方に延びて下蓋１７の近傍で閉鎖空間１０に開口している。
【００２８】
そして、熱交換器１５の第二配管１５ｂの開口から比較的低温の熱媒が閉鎖空間１０内に放出される。熱媒はケーシング管８内の上蓋１６と下蓋１７の間の閉鎖空間１０に充満された状態で周囲の地中熱の高い地層Ｔの地熱との間で熱交換される。高温となった熱媒はケーシング管８の閉鎖空間１０内で上方に移動して第一配管１５ａの開口を通して第一配管１５ａ内に流入して地上に引き上げられる。
本変形例では、ケーシング管８の閉鎖空間１０を熱交換に利用して熱交換器１５の第一配管１５ａと第二配管１５ｂで熱媒を循環できる。
【００２９】
次に、図８乃至図１０は第二変形例によるセグメント２内に装着されたケーシング管８の配置構成を示すものである。
図８に示す地熱交換装置１では、上下二段にセグメント２が連結されており、上段のセグメント２内では４列のケーシング管８が上下方向に配設されている。下段のセグメント２内では隣り合うケーシング管８が下端で湾曲して互いに連結されている。
図９に示す地熱交換装置１では、上下二段にセグメント２が連結されており、上段のセグメント２内では４列のケーシング管８が上下方向に配設されている。下段のセグメント２内では４列のケーシング管８の間で隣り合う２本のケーシング管８がバイパス管８ｃによって互いに連結されている。
【００３０】
図１０に示す地熱交換装置１では、上下二段にセグメント２が連結されており、上段と下段のセグメント２内では４列のケーシング管８が上下方向に配設されている。しかも、上下段のセグメント２内では隣り合うケーシング管８がバイパス管８ｃによって互いに連結されている。これにより、複数のケーシング管８は１または複数の筐体６内で分岐と合流がなされている。
【００３１】
図１１は第二実施形態による地熱交換装置１Ａを示すものである。図１２及び図１３は第二実施形態の変形例による地熱交換装置１Ｂ，１Ｃを示すものである。
図１１に示す第二実施形態による地熱交換装置１Ａについて説明する。図１１（ａ）に示す本第二実施形態の地熱交換装置１Ａでは、セグメントリング１４が上下方向に４段に亘って配設されている。各セグメントリング１４は適宜数、例えば６枚のセグメント２が組み合わされて構成されている。上下のセグメント２の配置構成は例えばいも継ぎ構成とされている。
【００３２】
地盤における地中熱の高い地層Ｔに上から３段目のセグメントリング１４が対向している。３段目のセグメントリング１４において、リング状に連結された６枚のセグメント２内には例えば水平方向に配設されたケーシング管８がリング状に配列されて連結されている。これらリング状のケーシング管８は上下方向に所定間隔を開けて例えば３組配列されている。そのため、セグメントリング１４を構築することで、上下３組のケーシング管８は６つのセグメントに跨る無端のリング状に配列されて互いに連結されている(図１１（ｂ）参照)。
また、地熱交換装置１Ａには、地上から３段目のセグメントリング１４のセグメント２までを１本の縦方向のケーシング管８Ａが上下方向に延びて３つのリング状のケーシング管８にそれぞれ連結されて連通している(図１１（ａ）、（ｂ）参照)。縦方向のケーシング管８Ａは上下方向に配列された３段の各セグメント２内に装着されている。
【００３３】
そして、縦方向のケーシング管８Ａ内には図５に示すものと同様に熱交換器１５のＵ字状管をなす第一配管１５ａと第二配管１５ｂが上下方向に延びている。熱交換器１５のＵ字状の下端部は３組のリング状のケーシング管８より上側に設置されている。３組のリング状のケーシング管８と縦方向のケーシング管８Ａは熱媒で満たされている。
３組のリング状のケーシング管８内の熱媒は地中熱の高い地層Ｔとの間で熱交換されて高温になる。縦方向のケーシング管８Ａ内の高温の熱媒は、第二配管１５ｂを降下する比較的低温の熱媒と熱交換器１５の底部のＵ字状部分で熱交換され、熱交換器１５内の熱媒が高温になることで第一配管１５ａ内を上昇して採熱される。
【００３４】
図１１（ｃ）は変形例による地熱交換装置１Ａを示すものである。図１１（ｃ）において、地熱交換装置１Ａのセグメントリング１４は平面視で半円分だけ地中熱の高い地層Ｔ内に位置している。そのため、ケーシング管８はセグメントリング１４における地中熱の高い地層Ｔに重なる半円の３つのセグメント２部分だけに配設されて三日月状に往復して連結されているため無端状(以下、三日月状の往復無端状という)に形成されている。そして、地上から３段目のセグメントリング１４のセグメント２間を１本の縦方向のケーシング管８Ａが上下方向に延びて３組の円弧状の往復形状のケーシング管８にそれぞれ連結されている。熱交換器１５の構成は図１１（ａ）、（ｂ）と同様である。
【００３５】
本変形例においても、上下に配列された３組の三日月状の往復無端状のケーシング管８内では、熱媒が地中熱の高い地層Ｔとの熱交換により加熱される。高温となった熱媒が、縦方向のケーシング管８Ａ内の熱交換器１５の底部のＵ字状部の第二配管１５ｂを流れる熱媒と熱交換され、高温になった熱交換器１５内の熱媒が第一配管１５ａを通して地上に採熱される。これにより、地中熱の高い地層Ｔの熱をケーシング管８内の熱交換器１５によって効率的に熱交換して採熱することができる。
【００３６】
図１２（ａ）、（ｂ）に示す第一変形例による地熱交換装置１Ｂは図１１に示す地熱交換装置１Ａと概略で同一構成を有している。相違点として、上下方向に延びる縦方向のケーシング管８Ａがセグメント２の内周側に設置されている。そのため、縦方向のケーシング管８Ａは３組のリング状のケーシング管８に水平方向に連結されている。
また、縦方向のケーシング管８Ａ内に収納された熱交換器１５は第一配管１５ａと第二配管１５ｂがそれぞれ３組のケーシング管８に接続されている。そのため、熱交換器１５の第二配管１５ｂ内の熱媒は水平方向の３組のリング状のケーシング管８内に流出し、地中熱の高い地層Ｔと熱交換して高温に変換される。そして、３組のリング状のケーシング管８内の高温の熱媒はそれぞれ熱交換器１５の第一配管１５ａに流入して地上等に送られて採熱される。
【００３７】
図１２（ｃ）に示す地熱交換装置１Ｂも図１１（ｃ）に示す地熱交換装置１Ａと概略で同一構成を有している。３段目のセグメントリング１４内に設けられた三日月状で往復無端状のケーシング管８は地中熱の高い地層Ｔと接触する半円状の３つのセグメント２内にのみ無端の三日月状に配設されている。しかも、縦方向のケーシング管８Ａはセグメント２の内周面に配設されて、３組の三日月状で往復無端状のケーシング管８に連結されている。縦方向のケーシング管８Ａ内には熱交換器１５が挿入されて、第一配管１５ａと第二配管１５ｂが３組のケーシング管８にそれぞれ接続されている。
【００３８】
図１３（ａ）、（ｂ）に示す第二変形例による地熱交換装置１Ｃは図１１に示す地熱交換装置１Ａと概略で同一構成を有している。ケーシング管８、８Ａの配置は上述した図１１、図１２に示すものと同一である。相違点として、縦方向のケーシング管は熱媒の入力用のケーシング管８Ｂと出力用のケーシング管８Ｃが別個に配設されて地上から３段目のセグメントリング１４まで延びている。本変形例では、セグメントリング１４の内周面側に入力用のケーシング管８Ｂが、セグメントリング１４のセグメント２の内部を貫通して出力用のケーシング管８Ｃがそれぞれ配設されている。
【００３９】
入力用のケーシング管８Ｂ内に熱媒供給用の熱交換器１５の第二配管１５ｂが挿入され、この第二配管１５ｂは３組のリング状のケーシング管８にそれぞれ接続されていて比較的低温の熱媒を供給可能とされている。出力用のケーシング管８Ｃに熱媒取り上げ用の熱交換器１５の第一配管１５ａが挿入されている。出力用のケーシング管８Ｃは３組のリング状のケーシング管８にそれぞれ接続されており、その上側に熱交換器１５の第一配管１５ａの開口が配設されて採熱可能とされている。
そのため、入力用のケーシング管８Ｂ内に挿入された熱交換器１５は第二配管１５ｂから上下３組のリング状のケーシング管８内に熱媒を供給して、地中熱の高い地層Ｔと熱交換する。そして、高温となった熱媒は３組のリング状のケーシング管８内から出力用のケーシング管８Ｃ内に流出し、熱交換器１５の開口に流入して地上へ採熱される。
【００４０】
図１３（ｃ）に示す地熱交換装置１Ｃも図１１（ｃ）に示す地熱交換装置１Ａと概略で同一構成を有している。３段目のセグメントリング１４内に設けられたケーシング管８は地中熱の高い地層Ｔと接触する半円状の３つのセグメント２内にのみ三日月状の往復無端状に３組配設されている。しかも、縦方向の入力用のケーシング管８Ｂはセグメント２の内周面に配設され、出力用のケーシング管８Ｃはセグメント２内に配設されて、３組の無端の三日月状のケーシング管８にそれぞれ連結されている。入力用のケーシング管８Ｂに挿入された熱交換器１５の第二配管１５ｂは３組のケーシング管８に接続され、第一配管１５ａは３組のケーシング管８に接続された出力用のケーシング管８Ｃ内に開口を有している。
【００４１】
図１４はケーシング管８の連結部を示す図である。例えば図１１から図１３の第二実施形態に示すように、セグメント２の継手板４同士の連結部において、一方のケーシング管８にはその外径と同一径を有する凸部のほぞ８ａが継手板４から突出しており、他方のケーシング管８には凹部をなすほぞ穴８ｂが形成されている。そのため、セグメント２の継手板４同士をセグメント継手１２で水平方向に連結するに際し、一方のケーシング管８のほぞ８ａと他方のケーシング管８のほぞ穴８ｂとを嵌合させる。これと同時に一方のセグメント２の継手板４と他方のセグメント２の継手板４を突き合わせてセグメント継手１２同士を固定することで互いに連結する。
そのため、地中熱の高い地層Ｔにおける地中熱を金属製のセグメント２からケーシング管８を通して熱交換器１５に伝達して、熱交換器１５の熱媒と熱交換できる。高温となった熱媒は熱交換器１５を通して上段のセグメント２内を通過して地上に取り上げられて再利用される。
【００４２】
なお、図１５に示すように、地中に設置した地熱交換装置１Ａに対して地震が発生したり地中断層にずれが生じたりした場合等について説明する。図１５（ａ）に示す地熱交換装置１Ａは図１１に示す構成と相違して、セグメントリング１４が地中に例えば千鳥組で５段に積層された構成を有している。
地震等で地層に横揺れが発生して地熱交換装置１Ａが変形した場合、地表面は地震の横揺れに追従して変位するが、下層はあまり変位しないため図１５（ｂ）に示すように荷重が作用して変形する。そして、セグメント２の主桁板３同士を連結するリング継手１１や継手板４同士を連結するセグメント継手１２だけでは強度が小さくセグメント２同士が破断や分断をし得るとしても、ケーシング管８同士をほぞ８ａとほぞ穴８ｂとで連結しているためより高強度であり、セグメント２の破断や分断、そして分離を阻止できる。
【００４３】
次に図１６（ａ）〜（ｅ）により第三実施形態によるセグメント２の各例について説明する。
図１６（ａ）に示すセグメント２は筐体６が一対の主桁板３と一対の継手板４と外周側のスキンプレート５からなる５面の金属枠製、即ち鋼製セグメントである。対向する主桁板３を貫通するケーシング管８を配設している。このセグメント２の内周面にはスキンプレートは設置されておらず、内部は空洞とされている。しかし、内部にコンクリートＣを充填させてもよい。内部にコンクリートＣを充填することで圧縮力にも強い構造になる。或いは、内部にセラミックス、ポリマー、ガラス等の断熱材を充填させてもよく、地中熱の高い地層Ｔとケーシング管８との間の熱伝導性が向上する。
図１６（ｂ）に示す第一変形例のように、セグメント２の対向する主桁板３の中間に追加の主桁板３を配設してもよい。しかも、これら３枚の主桁板３を貫通してケーシング管８が設置されている。
【００４４】
図１６（ｃ）に示す第二変形例によるセグメント２は５面の金属枠製であり、しかも両端の主桁面に設けた主桁板３にフランジ部３ａを設けて強度を補強している。フランジ部３ａは角部にのみ形成してもよいし、上下面に連続して面状に形成されてもよい。
図１６（ｄ）に示す第三変形例によるセグメント２は、図１６（ｃ）に示すものと同一構成を有しており、更にフランジ部３ａ付きの主桁板３を両端の主桁板３間の中央に対向して設けている。これにより、セグメント２がより高強度になる。
また、図１６（ｅ）に示す第四変形例によるセグメント２は、５面の金属枠製からなるセグメント２の内周面にもスキンプレート５を設けている。この場合、セグメント２は６面の金属枠製になり、より高強度である。
これら図１６（ａ）〜（ｅ）に示すセグメント２は、セグメント２の強度を補強することでより高強度になる。
【００４５】
次に図１７により第四実施形態によるセグメント２について説明する。
ケーシング管８をセグメント２の対向する主桁板３間に装着した状態で、図１７に示すように、比較的大径のケーシング管８Ｄは外周面のスキンプレート５に当接または近接した位置に配設している。そして、比較的小径のケーシング管８Ｅはセグメント２の内周面側または内周面に設けたスキンプレート５に当接または近接した位置に配設している。ケーシング管８Ｄとケーシング管８Ｅは互いに当接している。
大径のケーシング管８Ｄには例えば熱交換器１５の４本の配管が挿入可能であり、例えば図５に示すＵ字状の熱交換器１５を二組互いに交差させてダブルＵチューブを構成している。小径のケーシング管８Ｅは例えば熱交換器１５の２本の配管が挿入可能であり、シングルＵチューブを構成している。なお、ケーシング管８内に挿入される熱交換器１５の本数は任意に選択でき、入力側の管と出力側の管から分岐した任意の複数組のＵチューブを挿入可能である。
【００４６】
これら大径及び小径のケーシング管８Ｄ、８Ｅは互いに接触しているため、外側のスキンプレート５が地中熱の高い地層Ｔに接触している場合にケーシング管８Ｄ，８Ｅを介して熱交換器１５内の熱媒への熱伝導効率が一層高くなる。
なお、図１に示すように、ケーシング管８はセグメント２の主桁板３の中央に装着してもよい。また、ケーシング管８はセグメント２の外周面と内周面の両方または一方に設けてもよい。ケーシング管８は内部に装着される熱交換器１５の熱交換をより効率的に行うために装着位置を適宜選択できる。
【００４７】
なお、上述した各実施形態では、セグメント２は円環状のセグメントリング１４に構築した事例について説明したが、本発明はこのような構成に限定されない。例えば複数のセグメント２を組み合わせた形状が、四角形筒状、小判型または楕円形の筒状、異形状、扁平断面形状、直線または平面形状等、適宜の組み立て形状に構築できる。
【００４８】
また、他の変形例として、図１８に示すように、セグメント２の内周面から外周面のスキンプレート５にコンクリートやモルタル等の裏込め材の注入孔２０を設けてもよい。施工時や施工後に地熱交換装置１のセグメントリング１４とその外周面側の地山や地層とを一体化(密着)させる場合、地熱交換装置１のセグメントリング１４を構築した後、セグメントリング１４の内周面側から注入孔２０を通して裏込め材を地山側に注入することで地山とセグメントリング１４を一体化することができる。
これにより、地熱交換装置１のセグメントリング１４が高強度になる上にセグメントリング１４を保護できる。そのため、腐食性のある地層水の浸入を防いだり、帯水層からの隔離を行ったりすること等ができる。
【００４９】
次に図１９に示すように、第五実施形態による地熱交換装置１の各例について説明する。
図１９（ａ）に示す地熱交換装置１は、例えば四角形平板状のセグメント２を四角形筒状に形成したセグメントリング１４を上下方向に４段連結した構成を有している。しかも、最下段のセグメントリング１４は刃口付きセグメント１８を四角形筒状に連結してなる刃口リング１９で構成されている。上側の３段のセグメントリング１４は平板状のセグメント２を４枚組み合わせて四角形筒状に形成されている。各セグメント２内には長手方向に対向面をなす一対の主桁板３間にケーシング管８が縦方向に装着されている。
最下段の刃口付きセグメント１８は平面視四角形板状であり、下端部が外側に向けて傾斜するテーパ面１８ａを有している。４枚の刃口付きセグメント１８は四角形筒状に組み立てられて、その下端部に形成された刃が四角形状に形成されてなる刃口リング１９を構築する。刃口付きセグメント１８内にもテーパ面１８ａを除いてケーシング管８が装着されている。
【００５０】
そして、施工時には、先ず４枚の刃口付きセグメント１８を四角形筒状に形成した刃口リング１９を油圧等の推力で地中熱の高い地層Ｔに押し込み、その上に順次セグメント２を四角形筒状に形成したセグメントリング１４を継手で連結して推力によって押し込む。こうして、図１９（ａ）に示す４段のセグメントリング１４を地中に押し込む。
このとき、図２０に示すように、各段のセグメント２では、推力で主桁板３を押圧する際に上下に配置された主桁板３を受け止める縦リブがないと主桁板３が変形して座屈してしまう。しかし、本実施形態によるセグメント２では、ケーシング管８が主桁板３間に装着されていて縦リブの機能を発揮しているため強度を補強でき、推力による主桁板３の変形を抑制できる。
【００５１】
図１９（ｂ）に示す地熱交換装置１も同様な構成を有しており、刃口付きセグメント２１及び刃口リング２２の構成について僅かに相違する。最下段の刃口リング２２を構成する４枚の刃口付きセグメント２１は平面視四角形板状であり、下端部が内側に向けて傾斜するテーパ面２１ａを有している。４枚の刃口付きセグメント２１は四角形筒状に組み立てられて、その下端部に形成された刃が縮径された四角形状に形成されてなる刃口リング２２を構成する。
なお、セグメントリング１４及び刃口付きセグメント２１のテーパ面２１ａを除いた部分にもケーシング管８が装着されている。
【００５２】
次に地中に埋設されたセグメント２の筐体６に対するケーシング管８の配置例について図２１により説明する。図２１（ａ）〜（ｆ）は、地中熱の高い地層Ｔ内に地熱交換装置１を装着した状態を示す図である。しかも、地熱交換装置１のセグメント２内には例えば主桁板３間にケーシング管８が所定間隔で装着されており、図２１（ａ）〜（ｆ）はケーシング管８の長手方向に直交する方向の部分断面図である。
図２１（ａ）は、セグメント２の筐体６内に地中熱の高い地層Ｔの土が侵入した状態を示すものである。この事例では、ケーシング管８が地中熱の高い地層Ｔに直接接触しており、ケーシング管８内に熱交換器１５を装着した場合に熱交換器１５内の熱媒との熱交換効率が高い。
【００５３】
図２１（ｂ）では、ケーシング管８が筐体６の外周面(内周面でもよい)に設けられたスキンプレート５に直接接触している。セグメント２の筐体６は地中熱の高い地層Ｔと接触しており、筐体６のスキンプレート５にケーシング管８が直接接触しているため、熱交換効率が高い。ケーシング管８内に装着された熱交換器１５の熱媒は筐体６のスキンプレート５、ケーシング管８、熱交換器１５を介して効率的に熱伝達される。
【００５４】
図２１（ｃ）では、セグメント２の筐体６におけるスキンプレート５とケーシング管８とがリブ２４を介して連結されている。なお、リブ２４はケーシング管８の長手方向に連続する板状に形成されて、ケーシング管８のほぼ全長に亘ってスキンプレート５と連結されていてもよいし、所定間隔を開けて断続的に設けられていてもよい。そのため、地中熱の高い地層Ｔから筐体６に伝達される熱はスキンプレート５からリブ２４を介してケーシング管８に熱伝達され、ケーシング管８内に装着された熱交換器１５内に熱媒で熱伝達される。
図２１（ｄ）も同様な構成であり、この事例では、スキンプレート５とケーシング管８のほぼ半円状の周面とが板状のリブ２３によって連結されている。このリブ２３はケーシング管８の長手方向に所定間隔を開けて配列されている。この事例の場合も、ケーシング管８のほぼ全長に亘ってスキンプレート５からリブ２３を介してケーシング管８に熱伝達させることができる。
【００５５】
図２１（ｅ）では、セグメント２の筐体６内に不凍液等の熱交換媒体２５が充填されている。そのため、地中熱の高い地層Ｔとケーシング管８との間に熱交換媒体２５を媒介させることで地層Ｔの熱を効率的にケーシング管８に伝達できるようにした。
図２１（ｆ）では、例えば対向する継手板４、４間に金属板状の縦リブ２７を装着し、縦リブ２７に所定間隔で形成した孔部２７ａにケーシング管８を貫通させて支持するように構成した。この事例の場合でも、地中熱の高い地層Ｔの地熱を筐体６及び縦リブ２７を介してケーシング管８に伝達させることができる。そのため、地層Ｔとケーシング管８内に装着された熱交換器１５内の熱媒との熱交換を効率的に行える。しかも、ケーシング管８を主桁板３や継手板４に連結することなく保持できる。  
【００５６】
なお、上述した各実施形態等では、ケーシング管８として略円筒状の管体を用いたが、円筒状に限定されるものではなく、四角形筒状やその他の多角形筒状等、適宜の形状を採用できる。
【符号の説明】
【００５７】
１、１Ａ、１Ｂ、１Ｃ  地熱交換装置
２  セグメント
３  主桁板
４  継手板
５  スキンプレート
６  筐体
８、８Ａ、８Ｂ、８Ｃ、８Ｄ、８Ｅ  ケーシング管
８ａ  ほぞ
８ｂ  ほぞ穴
１１  リング継手
１２  セグメント継手
１４  セグメントリング
１５  熱交換器
１８、２１  刃口付きセグメント
１９、２２  刃口リング
２０  注入孔
２３、２４  リブ
２５  熱交換媒体
２７  縦リブ
Ｔ  地中熱の高い地層
【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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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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