(57)【要約】      （修正有）【課題】限られた大きさの熱交換杭で最小限の掘削溝と最良の施工性によって、最大の土壌空間、すなわち熱交換範囲を確保する。熱媒体回路を内蔵した熱交換羽根付の杭を打込み地中で開いて、土壌との接触面積を広く取る、熱交換杭を提供する。【解決手段】パイプ杭１に掛ってスライドする第２のパイプ杭２があり、この杭の先に設けた、矢羽状の熱交換羽根３が、アーム４で放射状に開閉する機構を有し小さく畳んで、土中のコアー孔に挿入し、地上での該パイプ杭１．２の押戻しと押込みとのスライド伸縮で、該熱交換羽根３を土中で広く開くことが出来る。又各部材の中空部に熱媒体の循環するフレキシブル管が配管され、効率的な熱交換が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
中空のパイプ杭１の先端に放射状に開く、複数の長尺で中空の板状の熱交換羽根３が、ヒンジ５を介して、上向き又は下向きに折り畳まれ熱交換羽根３の先端には銛の鉤作用となる、傾斜板に切込刃のついた案内羽根７が、バネ付ヒンヂ６にて連結され、又前述各部材の中空部には往環２本の熱媒用フレキシブル管８が、該ヒンヂ５内のＵ字形溝車９に挟み込まれて連通され、設置時の該パイプ杭１の抜戻し又は押込操作により該熱交換羽根３が地中を放射方向に水平に開くことを特徴とする地中開羽型熱交換杭。
【請求項２】
請求項第１項記載の抜戻し型のパイプ杭１に掛けてスライドする同じく第１項記載の押込型又は抜戻し型の第２のパイプ杭２を組合せて、パイプ杭１及び第２のパイプ杭２に、それぞれ中空のアーム４をヒンジ５を介して熱交換羽根３を単独、又は３節又は４節のリンク状に連結してなり、又前述各部材の中空部にフレキシブル管８が連通して、前述パイプ杭１と第２のパイプ杭２の抜戻し又は押込操作及びスライド収縮により、該熱交換羽根３が土中にて、それぞれの形をした立体形に開くことを特徴とする地中開羽型熱交換杭。
【請求項３】
地中熱交換杭を利用した熱交換システムに関し、請求項１〜２項の地中開羽型熱交換杭Ａのパイプ杭の先端に、ストレーナー兼吸込パイプ１２を設け、一方該熱交換杭の上方の地中で熱交換効率と蓄熱量に見合った範囲に、地中散水する  地中散水杭Ｂを打ち込み、該地中散水杭Ｂと該地中開羽型熱交換杭Ａとは、井戸ポンプ１５で直接又は地上部の水タンク１６と間接的に接続され、地下水又は雨水等の貯留水を第２の熱交換媒体として、該熱交換範囲を強制循環させることを特徴とする、井戸兼用型熱交換杭による熱交換システム。
【請求項４】
請求項１〜３項の熱交換杭に関わる土壌の土壌改良用の杭に関し、同型の杭の熱交換羽根には、板面及び端部の周囲に、等間隔に小孔２２ａを設けた、孔あけ羽根２２として、パイプ杭１又は第２のパイプ杭２及びアーム４の中空部に１本のフレキシブル管２３が、該中空の孔あけ羽根２２に連通された構造を有し、該フレキシブル管２３に、コロイド状に水溶化した、土壌改良剤を該孔あけ羽根２２の小孔２２ａより熱交換範囲の土中に圧力注入することを特徴とする、地中開羽型土壌改良剤注入杭。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は地中開羽型熱交換杭と井戸兼用型熱交換杭システム及び土壌改良剤注入杭に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年社会問題となっている、地球温暖化とともに都市部におけるヒートアイランド現象はその原因の１つに、エアコンに依る、屋外大気への熱の拡散があり、その解決策として、地中熱交換システムが提案されている、その１つとして、ビル建築時に必然的に打込まれる鉄管基礎杭の中に、ヒートパイプを内蔵し地中冷熱と熱交換して、地上の冷房負荷の節減を計るもの（例えば特許文献１参照）又コンクリート基礎杭内に熱媒体を直接又は間接的に循環させて周囲の土中を蓄熱するもの（例えば特許文献２参照）等がある。
【特許文献１】特開平３−２９４７３０号公報
【特許文献２】特開平８−１８４０６３号公報
【０００３】
上記のようにコンクリートパイルや鉄管杭のパイプ杭では、地中での土との接触面である杭の外周面積で熱交換を行うため、熱交換効率に限度があり、熱伝導の小さい土中においては、その熱交換に見合った深度が要求されるため、設置費の高騰をまねき、普及のネックになっている現状である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従ってこのような課題を解決するものとして、特願２００２−６２１３０記載の熱交換杭は、熱媒の循環するパイプ杭の周囲に矢羽状の熱交換板を取付けたものや、杭に連結された熱交換板が土中で三方に開く機能を設けて、熱伝達の効率化を計ったが、パイプ杭と丁番で連結させた、単なる金属板では、緩慢な土中の熱伝達の範囲に限度があり、パイプ杭内だけを循環する熱媒管を、より広範囲に広げて、効率的な熱の伝達が必要である。しかし対象が地中なだけに、通常の施工では、大型掘削機械による地盤の損傷はもとより、掘削溝内での危険作業や、掘削土の仮置場の確保、又埋戻しによる労力や工事期間の遅延等々、難点の多い現状がある。従って、本発明は、限られた大きさの熱交換杭で最小限の掘削溝と最良の施工性によって、最大の土壌空間、すなわち熱交換範囲を確保することを目的としたもので、その要旨は、前述のように熱媒体回路を内蔵した熱交換羽根付の杭を打込み地中で開いて、土壌との接触面積を広く取る、熱交換杭を提供するものである。
【０００５】
又土壌は前述のように熱伝導率が悪く熱移動が緩慢なため、熱交換範囲も効率上限度があり、この熱交換を促進する手段として、土中に含まれる水の移動があるが、前述熱交換杭に、井戸機能を兼用させ、又上層部の広い範囲に、この井戸水を地中散水し循環させることにより、熱交換の効率化とともに、蓄熱範囲を広げることができる、井戸兼用型の熱交換杭システムを提供するものである。
【０００６】
又一方熱交換杭を設置する場所の地中内土壌に、蓄熱効果上不適格な土質があり、岩石層は打込みが不可で論外であるが、砂質土のように、粒子間のすきまが粗く、含水率が小さい場合は、熱伝導が悪く、又蓄熱容量が小さくなるため、土質改良の必要である。この場合は砂粒子の間隙に含水率が高く、又熱伝導率の良い、鉱物性粘土等を、コロイド状に水で溶いて、熱交換範囲を圧力注入することにより、土壌改良が可能になり、理想的な蓄熱層としての機能が発揮されることになる。従ってこれ等の課題を解決するためには設置する熱交換杭と同型の杭を使用して、その杭に、土壌改良剤を土中に圧入する機能を設けた、土壌改良剤注入杭を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は上記目的を達成するための第１の課題解決手段として、図３図４のように中空のパイプ杭１の先端に放射状に開く、複数の長尺で中空の板状の熱交換羽根３が、ヒンジ５を介して、上向き又は下向きに折り畳まれ熱交換羽根３の先端には銛の鉤作用となる、傾斜板に切込刃のついた案内羽根７が、バネ付ヒンヂ６にて連結され、又前述各部材の中空部には往環２本の熱媒用フレキシブル管８が、該ヒンヂ５内のＵ字形溝車９に挟み込まれて連通され、設置時の該パイプ杭１の抜戻し又は押込操作により該熱交換羽根３が地中を放射方向に水平に開くことができる。
【０００８】
又第２の課題解決手段として、図１、２又は図５〜７のように、第１の課題解決手段の抜戻し型のパイプ杭１に掛けてスライドする同じく第１項記載の押込型又は抜戻し型の第２のパイプ杭２を組合せて、パイプ杭１及び第２のパイプ杭２に、それぞれ中空のアーム４をヒンジ５を介して熱交換羽根３を単独、又は３節又は４節のリンク状に連結してなり、又前述各部材の中空部にフレキシブル管８が連通して、前述パイプ杭１と第２のパイプ杭２の抜戻し又は押込操作及びスライド収縮により、該熱交換羽根３が土中にて、それぞれの形をした立体形に開くことができる。
【０００９】
又第３の課題解決手段として、図８のように第１及び第２の課題解決手段の地中熱交換杭を利用した熱交換システムに関し、請求項１〜２項の地中開羽型熱交換杭Ａのパイプ杭の先端に、ストレーナー兼吸込パイプ１２を設け、一方該熱交換杭の上方の地中で熱交換効率と蓄熱量に見合った範囲に、地中散水する  地中散水杭Ｂを打ち込み、該地中散水杭Ｂと該地中開羽型熱交換杭Ａとは、井戸ポンプ１５で直接又は地上部の水タンク１６と間接的に接続され、地下水又は雨水等の貯留水を第２の熱交換媒体として、該熱交換範囲を強制循環させることにより、より効率的な熱交換が可能となる。
【００１０】
又第４の課題解決手段として、第１、第２、及び第３の課題解決手段の熱交換杭に関わる土壌の土壌改良用の杭に関し、同型の杭の熱交換羽根には、板面及び端部の周囲に、等間隔に小孔２２ａを設けた、孔あけ羽根２２として、パイプ杭１又は第２のパイプ杭２及びアーム４の中空部に１本のフレキシブル管２３が、該中空の孔あけ羽根２１に連通された構造を有し、該フレキシブル管２３に、コロイド状に水溶化した、土壌改良剤を該孔あけ羽根２２の小孔２２ａより熱交換範囲の土中に圧力注入すると蓄熱と熱交換に適した土壌改良が可能である。
【発明の効果】
【００１１】
本発明は、図−１〜６のように、３〜４節のリンク機構からなる、傘式折り畳み杭の為、地中に設けた、コアー孔より挿入し、地上部より差込んだパイプ杭の押込又は押戻しにより、熱媒体の循環する板状の熱交換羽根が土中で四方に放射状に開く構造の為、設置時の作業が簡単で大げさな土壌の損傷もなく、工期の短縮と安価な設置費で、比較的広範囲の蓄熱ゾーンの確保が可能である。
【００１２】
このため、フレームを利用した、施設園芸や温室等、昼夜の温度差の大きい施設の地中蓄熱による省エネ化とともに年間の季節を通じて、夏に冷房、冬に暖房と、季節エネルギーの貯蓄と活用が可能となる。
【００１３】
又既に所望の温度に近い熱源が貯留さあれている為、ヒートポンプも低出力で良く、又特に冷房負担の大きい、熱い地方では、ヒートポンプを冷凍対応にすることで、冬季の冷温廃熱に依る土壌の凍土化により氷の潜熱利用で、熱交換杭の小型化も可能である。
【００１４】
又山間部や盆地等地下水の移動のある場所は、関東では１５度前後と水温が年間を通して一定であるため、この流動地下水を熱源とする熱交換が可能である。
【００１５】
又土地が砂質土で前述のような流動地下水の無い場合は、粘質土のように蓄熱上含水率の大きい土壌に改良の必要があり、鉱物性粘土をコロイド状にして、地中に注入する、土壌改良剤注入杭により、効率的な熱伝導と蓄熱容量の増大が可能である。
【００１６】
又無公害の自然の熱の季節エネルギーの有効利用とともに、都市部のヒートアイランド現象の解消はもとより、地球温暖化の原因である、化石燃料節減の一助になり得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
以下図面により発明を実施するための最良の形態を詳細に説明する。
【実施例１】
【００１８】
図１のように、パイプ杭１と該パイプ杭１に掛けてスライドする第２のパイプ杭２を設ける。この周囲には、断面がくさび刀付で、縦長の４本の熱交換羽根３が放射状に配置され、上方及び下方部と該パイプ杭１及び第２のパイプ杭２の下方先端部とは、上下にアーム４を介して、上向きに折り畳まれている。
【００１９】
又この内、下方のヒンヂ５には、４５度の傾斜板の先端に、切込み刃の付いた、刃先を開き方向に向けた、シャベル状の案内羽根７を設ける。尚この案内羽根７は設置時の孔内挿入時に邪魔になるため、熱交換板３の内部に同軸回転盤６Ｂを設け４５度の回転ロック付として、スプリング６Ａの付いたバネ付ヒンヂ６にて外側へ開く機構を有し、銛式に閉じて、押戻し時には逆に鉤作用で開く機能を有する。（図１１参照）
【００２０】
又該パイプ杭１と第２のパイプ杭２及びアーム４及び熱交換羽根３の各部材の中空部には、熱媒体であるフレキシブル管７がループ状に連通され、地上にて往還２本に集管されヒートポンプ回路に接続される。
【００２１】
又該フレキシブル管８が連通するヒンヂ５は、図１０のように、熱交換羽根３が開くときに、該フレキシブル管８が、折り曲がって、楕円状につぶれぬようにヒンヂ回転軸に、アーム４の巾大の直径を有するＵ字形溝車９を設けて、この溝へ、フレキシブル管を挟み込むことで、アームの回転とともに、無理のない曲がりが可能である。
【００２２】
又熱交換羽根３の詳細を説明すると、材質は、耐食性と強度及び熱伝導性を兼ねた、ステンレス板を２つ折り又は溶接の２枚張りとして、その中空部に、耐蝕と熱伝導率の良いフレキシブル管８が直管又は蛇行状に配管され、該フレキシブル管８と板間のすきまは、熱伝導率の良い充填剤にて埋める。
【００２３】
又この熱交換杭の設置にあたっては、この杭径より大きめのコアー状の孔を、設置深度より、アーム４の長さ分深く掘削して、折り畳まれた熱交換杭を挿入するが、抜戻しや押込の操作荷重の分散方法として、まずパイプ杭１をアーム４の長さ分抜き戻すことにより、アーム４と案内羽根７の作用で、図２の点線のように熱交換羽根３は開いて、逆Ｖ字形になり、このとき該熱交換羽根３の上方ヒンジ５より突出した板端部はパイプ杭２に当たり、そのテコ作用により、上方アーム４は少し開いて、力のモーメント上第２のパイプ杭２の抜戻し操作の負荷が軽減されることになる、こうして該パイプ杭１の頭部を支点として、第２のパイプ杭２をアーム４の長さ分抜き戻すことにより、上方のアームとともに逆Ｖ字形の熱交換羽根３はＨ型に、すなわち全体で四方の羽根が開いて円筒型に開くことができる。
【００２４】
又装置が大型の場合は、操作重機の負荷軽減の為に、複数の熱交換羽根３を、個別に開かせる必要があり、この場合は、図７のように、各熱交換羽根３ごとに、パイプ杭１と第２のパイプ杭２を一対にして、スライドできるように、パイプホルダー１０の枠内に組込む個別スライド機構にして、熱媒体であるフレキシブル管８は地上にて集管し、ヒートポンプ回路に接続される。
【００２５】
又熱交換効率化と熱交換範囲の拡大を計るためのシステムとして、図８のようにパイプ杭１の先端を下部熱交換羽根３のヒンヂ部より、下に延長パイプ１１をともにスライドして伸縮するストレーナー兼吸入パイプ１２を設け又先端には銛状の抜け防止具１３を設け、尚又該熱交換杭の上方近くの土中で、少なくとも該地中開羽型熱交換杭Ａの熱交換範囲よりも広い範囲に散水する地中散水杭Ｂを打ち込み、該地中散水杭Ｂと該地中開羽型熱交換杭Ｂとは、井戸ポンプ１５で直接又は地上部の水タンク１６と間接的に接続され、地下水又は雨水等の貯留水を第２の熱交換水として該地中開羽型熱交換杭の熱交羽根３の周囲を強制循環させることができる。尚地中散水杭Ｂは本発明を実施するための第１の形態の図３と同一構造で、水用フレキスブル管２１の端部は羽根内で開放され散水される。
【００２６】
又前述第４の課題解決手段の［００１０］項で述べたように該熱交換杭を布設する地中の、土壌改良のための杭は図９のように、熱交換杭を改造したもので、この土壌改良剤注入杭により、土壌の熱伝導性と蓄熱容量の増大が可能となる。
【００２７】
又土質が硬めの場合は、図９の円内のようにクサビ刃を荒引きノコ刃状に加工すると、設置時の上下ストローク操作又は、バイブレーターによる、押込み又は押戻し操作によって、土壌を切込み、熱交換羽根３が開きやすくなる。
【００２８】
又この熱交換杭設置の理想のシステムとしては温熱、冷熱の個別設置と兼用単独設置とがあるが少なくとも、主杭と予備杭の２基設け、主杭をその季節に所望の温熱又は冷熱の蓄熱ゾーン用として、夏はヒートポンプに依る冷房の熱交換廃熱である温熱又はソーラー集熱を蓄熱し、そのまま半年後の冬季に、暖房用に供し、又その交換冷熱を、そのまま夏季に蓄熱することになる。こうして季節のピーク時における、冷暖房に容量不足の場合の補充として、予備杭の中熱ゾーンより、所望のエネルギーの汲み取りを行ない、又中間期や冬季での昼間のソーラー集熱や夏季の給湯加温ヒートポンプの熱交換冷熱等の余剰エネルギーを、その都度補充することも可能である。
【実施例２】
【００２９】
次に図３に示す本発明を実施するための第２の形態につき説明する。
図３は押込型で四方に開く熱交換杭の断面図で、パイプ杭１の先端ヒンジ５から熱交換羽根３を下向きに組付けて、先端の案内羽根７の刃先を開き方向に向け、又中空のパイプ杭内には往環２本の熱媒用フレキシブル管８が上下２重がさねで、ヒンジ５のＵ字形溝車９に挟み込まれて配管され、又設置時の挿入操作で逆Ｖ字形に開いた案内羽根７のテコ作用で熱交換羽根３は放射状に開くことができる。
【実施例３】
【００３０】
図４は押戻し型で四方に開く熱交換杭の断面図で、前述と逆にパイプ杭１の先端ヒンジ５から、熱交換羽根３を上向きに組付けて、先端の案内羽根７の刃先を開き方向に向けた構造で、フレキシブル管の配管は前述押込型と共通である。
４
【実施例４】
【００３１】
図５は前述のように抜戻し型の熱交換杭のパイプ杭１の外側に差し込んでスライドする、第２の押込型のパイプ杭２を設け、先端のヒンジ５に中空のアーム４を介して、熱交換羽根３とはストッパー５Ｃの付いた１３５度の回転ロック付ヒンジ５にて連結され、設置時の抜戻しと押込操作により、復数の熱交換羽根３は土中で、上下斜め方向にクモ足型の放射状に開くことができる。
【実施例５】
【００３２】
図６は前述［００３０］項の熱交換杭のスライドする上下アーム４と熱交換羽根３は、直線に固定連結し、尚上下の熱交換羽根３の先端をどちらか一方の案内羽根７とともにヒンジ５で連結した３節のリンクからなり、又各部材の中空部にはフレキシブル管８がループ状に連通して、設置時の押戻しと押込操作により、四方の熱交換羽根３は土中にて、パンダグラフのように、ダイヤ形に開くことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３３】
本発明は冷暖房等の省エネルギー機器産業で利用される
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】は本発明を実施するための最良の形態で、熱交換杭の開いた形状の斜視図
【図２】は図１の折り畳んだ状態の断面図とフレキシブル管の連通回路（実線）及び下方部が半分開いた状態の断面図（点線）
【図３】は本発明を実施するための第２の形態で、熱交換杭の縦断面図と折り畳んだ状態の断面図（点線）
【図４】は本発明を実施するための第３の形態で、熱交換杭の縦断面図と折り畳んだ状態の断面図（点線）
【図５】は本発明を実施するための第４の形態で、熱交換杭の縦断面図と折り畳んだ状態から開く状態図（点線）
【図６】は本発明を実施するための第５の形態で、熱交換杭の斜視図と折り畳んだ状態（点線）
【図７】は本発明を実施するための最良の形態の項で説明の個別開羽型の熱交換杭のヒンジ５部の切断平面図
【図８】は本発明を実施するための最良の形態の項で説明の井戸兼用型熱交換杭システムの断面図及び系統図
【図９】は本発明を実施するための最良の形態の項で説明の土壌改良剤注入杭の開いた状態の縦断面図と下部が開いた状態（点線）
【図１０】はヒンジ５部のフレキシブル管の納まり透視図
【図１１】はバネ付ヒンヂ６部の透視断面図と案内羽根７が土中挿入時に４５°回転した図（点線）
【符号の説明】
【００３５】
Ａ−地中開羽型熱交換杭
１−パイプ杭
２−第２のパイプ杭
３−熱交換羽根
４−可動アーム
５−ヒンヂ（５Ａ−軸・５Ｂ−ブラケット・５Ｃ−ロックピン）
６−バネ付ヒンヂ（６Ａ−スプリング・６Ｂ−同軸回転盤・６Ｃ−回転ロックの凸部）
７−案内羽根
８−フレキシブル管（熱媒用）
９−溝車
１０−パイプホルダー
Ｂ−地中散水杭
１１−延長パイプ
１２−ストレーナー兼吸込パイプ
１３−抜け防止具
１４−水配管
１５−井戸ポンプ
１６−水タンク
１７−切替弁
１８−チャッキ弁
１９−水の流れ
２０−ボールタップ
２１−フレキシブル管（水用）
Ｃ−土壌改良剤注入杭
２２−孔あき羽根（２２ａ−小孔）
２３−フレキシブル管（土壌改良剤用）
２４−２枚板間の中仕切
２５−分枝中仕切
２６−土壌改良剤
【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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