(57)【要約】  第１の端部における入口と、第２の端部における出口と、流体のための導管とを含む掘削孔を有する、地中連続ループ熱交換器が、開示される。掘削孔に対する流体流の方向は一方向であり、掘削孔の大半の長さは水平でない。入口と出口とが所定の距離で分離され、入口における第１の熱膜と出口における第２の熱膜とは実質的に独立している。導管は、掘削孔の少なくとも一部分の中に配置され、大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムに接続するための供給管路および戻り管路に機能的に接続される。また、少なくとも１本の連続的掘削孔を有する地中連続ループ熱交換器を構築する方法と、地中連続ループ熱交換器を含むシステムを有する構造物内の温度を調節する方法とが、開示される。
2012524235.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の端部における入口および第２の端部における出口を含む掘削孔と、
前記掘削孔の少なくとも一部分の中に配置され、大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムに接続するための供給管路および戻り管路に機能的に接続された、流体のための導管とを含み、
前記入口と前記出口とが所定の距離だけ分離され、前記入口における前記掘削孔の第１の熱膜と前記出口における前記掘削孔の第２の熱膜とが実質的に独立しており、
前記掘削孔に対する流体流の方向が一方向であり、
前記掘削孔の大半の長さが水平でない、地中連続ループ熱交換器。
【請求項２】
前記掘削孔の内壁と前記導管の外面との間の環帯（好ましくは環帯全体）内に配置された熱交換媒体を含み、前記熱交換媒体が周囲の地層との熱交換に寄与する、請求項１に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項３】
前記導管が、前記導管内の流体流の流れの中に置かれた流れ強化機構を含むことができる、請求項１に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項４】
乱流機構が、複数のリブを前記導管の内面上に含む、請求項３に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項５】
前記流れ強化機構が、前記導管の内面の１つまたは複数上に隆起プロフィールを含む、請求項４に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項６】
前記流れ強化機構が、前記導管内に配置された挿入体を含む、請求項３に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項７】
前記挿入体が渦巻形またはらせん形を有する、請求項６に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項８】
前記挿入体が、金属、金属合金または合成材料のねじりリボンである、請求項６に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項９】
前記導管が、前記導管の外面および前記導管の内面の１つまたは複数上に隆起プロフィールを含む、請求項１に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項１０】
流体のための複数の導管を含み、各導管が、前記地中掘削孔の少なくとも一部分の中に配置され、前記大地調達ヒートポンプまたは前記熱交換器システムに接続するための前記供給管路および前記戻り管路に機能的に接続される、請求項１に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項１１】
前記導管が、金属、金属合金または合成材料で形成されたチューブまたは管である、請求項１に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項１２】
前記導管の前記供給管路および前記戻り管路への機能的な接続が、ヘッダシステムを含む、請求項１に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項１３】
前記所定の距離が、少なくとも約４．５７メートル（１５フィート）である、請求項１に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項１４】
前記所定の距離が、約３０．５センチメートル（１フィート）と約１．５２メートル（５フィート）との間である、請求項１に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項１５】
前記所定の距離が、前記熱交換器を収容する前記地層の熱的能力と、温度が前記大地調達ヒートポンプまたは前記熱交換器システムによって調節される構造物の負荷要件とに基づく、請求項１に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項１６】
複数の掘削孔を含み、前記導管が前記複数の掘削孔の中に直列に配置される、請求項１に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項１７】
複数の掘削孔を含み、前記導管が前記複数の掘削孔の中に並列に配置される、請求項１に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項１８】
前記掘削孔の前記入口において、かつ前記掘削孔の前記出口において、前記掘削孔の中心線が垂直から±１５度の範囲内にある、請求項１に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項１９】
前記掘削孔の前記入口において、かつ前記掘削孔の前記出口において、前記掘削孔の中心線が垂直から±５度の範囲内にある、請求項１８に記載の地中連続ループ熱交換器。
【請求項２０】
少なくとも１本の連続的掘削孔を含む地中連続ループ熱交換器を構築する方法であって、
地層内にボーリングすることによって掘削孔を形成するステップと、
前記掘削孔の少なくとも一部分の中に流体のための導管を配置するステップと、
大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムに接続するための供給管路および戻り管路に前記掘削孔を機能的に接続するステップとを含み、
前記掘削孔の第１の開口と前記掘削孔の第２の開口とが所定の距離だけ分離され、前記第１の開口における前記掘削孔の第１の熱膜と前記第２の開口における前記掘削孔の第２の熱膜とが実質的に独立しており、
前記掘削孔に対する流体流の方向が一方向であり、
前記掘削孔の大半の長さが水平でない、方法。
【請求項２１】
前記地層内にボーリングすることによって前記掘削孔を形成するステップが、前記第１の開口から前記掘削孔の第１の部分をボーリングし、前記第２の開口から前記掘削孔の第２の部分をボーリングして、前記第２の部分を前記第１の部分に連結し、前記連続的掘削孔を形成するステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
誘導装置が、前記第２の部分をボーリングして前記第１の部分に連結するのを支援し、前記誘導装置が、前記第１の部分に置かれたビーコンおよび前記第２の部分に配置されたセンサの1つまたは複数を含み、前記センサがセンサ監視器と機能的に連絡しており、前記センサ監視器からの出力が、前記第２の部分をボーリングして前記第１の部分に連結することを誘導するために使用される、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記誘導装置が、無線周波数、電気もしくは機械的信号、磁場、または音響信号を使用する、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記導管を配置するステップが、前記掘削孔の前記第１の部分における導管を、前記第１の開口を通して配置し、前記掘削孔の前記第２の部分の中へ前記第２の開口に向けて前記導管を引くステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２５】
掘削媒体が地盤を出る地点に導管を配置するステップが、導管を前記掘削媒体に機能的に取り付け、前記導管を前記掘削孔の前記第１の開口に向けて引くステップを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２６】
熱交換媒体を前記掘削孔の内壁と前記導管の外面との間の環帯内に配置するステップを含み、前記熱交換媒体が、周囲の地層との熱交換に寄与する、請求項２０に記載の方法。
【請求項２７】
前記導管が、前記導管内の流体流の流れの中に置かれた流れ強化機構を含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項２８】
前記流れ強化機構が、前記導管の内面の１つまたは複数上に隆起プロフィールを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記導管が、前記導管の外面の１つまたは複数上の隆起プロフィールおよび前記導管の内面上の隆起プロフィールを含む、請求項２０に記載の方法。
【請求項３０】
前記掘削孔の前記入口において、かつ前記掘削孔の前記出口において、前記掘削孔の中心線が垂直から±１５度の範囲内にある、請求項２０に記載の方法。
【請求項３１】
構造物内の温度を調節する方法であって、
地中連続ループ熱交換器の掘削孔の中の導管を通して入口から出口まで流体を流すステップと、
前記出口から大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムを通して前記流体を流すステップと、
前記大地調達ヒートポンプから、または前記熱交換器システムから前記入口まで前記流体を戻すステップと、
前記大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムを前記構造物内の前記温度を調節するために動作させるステップとを含む、方法。
【請求項３２】
前記導管が、前記掘削孔の少なくとも一部分の中に配置され、前記大地調達ヒートポンプまたは前記熱交換器システムに接続するための供給管路および戻り管路に機能的に接続され、前記入口と前記出口とが所定の距離で分離され、前記入口における前記掘削孔の第１の熱膜と前記出口における前記掘削孔の第２の熱膜とが実質的に独立している、請求項３１に記載の方法。
【請求項３３】
前記掘削孔に対する前記流体の流れの方向が一方向であり、前記掘削孔の大半の長さが水平でない、請求項３１に記載の方法。
【請求項３４】
地中連続ループ熱交換器の中に熱エネルギーを貯蔵する方法であって、
地中連続ループ熱交換器の掘削孔の中の導管を通して入口から出口まで流体を流すステップと、
前記出口から大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムを通して前記流体を流すステップと、
前記大地調達ヒートポンプから、または前記熱交換器システムから前記入口まで前記流体を戻すステップと、
前記大地調達ヒートポンプまたは前記熱交換器システムを、前記地中連続ループ熱交換器を取り囲む地層と熱エネルギーを交換するために動作させるステップとを含む、方法。
【請求項３５】
前記導管が、前記掘削孔の少なくとも一部分の中に配置され、前記大地調達ヒートポンプまたは前記熱交換器システムに接続するための供給管路および戻り管路に機能的に接続され、前記入口と前記出口とが所定の距離で分離され、前記入口における前記掘削孔の第１の熱膜と前記出口における前記掘削孔の第２の熱膜とが実質的に独立している、請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
前記掘削孔に対する前記流体の流れの方向が一方向であり、前記掘削孔の大半の長さが水平でない、請求項３４に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本開示は、熱交換器ならびに熱エネルギーを伝達および／または貯蔵する方法に関する。より詳細には、本開示は、大地結合ヒートポンプ（ground coupled heat pump）に接続するまたは地下熱貯蔵を提供する水ベースおよび／または直接交換のシステムと共に使用するための、連続ループを有する地中熱交換器に関する装置および方法に関する。地中熱交換器の水平でない区間を通る一方向の流体流（fluid flow）の熱交換効率は、とりわけ、システムの熱膜（ｔｈｅｒｍａｌ  ｅｎｖｅｌｏｐｅ）の分離によって強化される。
【背景技術】
【０００２】
[0002]以下の背景技術の議論において、いくつかの構造および／または方法が照会される。しかし、以下の参照が、これらの構造および／または方法が先行技術を構成することを容認するものと解釈されるべきではない。出願人は、そのような構造および／または方法が先行技術として適格でないことを実証する権利を明確に保有する。
【０００３】
[0003]地中熱交換器は、ある深さの地盤（earth）の周囲温度を利用することによって、地盤とエネルギーを交換する。暖房および／または冷房の公称トン当たりの、最近の熱交換器の要件および構成は、近傍の適切な水塊（body of water）、地下の帯水層、陸塊領域、ある深さの温度、および／または地質学的特徴によって明確に定められる。この再生可能な資源を使用する機会または選択肢は、現在の技術的限界、陸塊領域、地質学的条件または単なるコストによって、多くの住宅および商業施設において利用できない。地中熱交換器の用途では、設置に必要な物理的領域を、効率を向上することによって低減すること、および、システムを、新規および既存の構造物に対してより大きい割合で利用可能にすることが、必要である。
【０００４】
[0004]世界的に、暖房および冷房のための大地熱源（ground source）エネルギーの利用が増加している。地中熱交換器のシステムまたは処理の使用は、これらのシステムの機能にとって不可欠である。地中に含まれる内在エネルギーを利用する構成および方法が、数多く存在する。その例は、（ｉ）井戸、池、川、湖または海から交換された水を利用すること、（ｉｉ）水塊の中に浸漬されまたは地中に埋設された、コイル状もしくはスリンキー状に配置された一連の閉ループ配管、または他のそのような構造のシステム、（ｉｉｉ）地中の水平溝の中に埋設された一連のループ、および（ｉｖ）水ベースの熱流体または圧縮機流体を掘削孔の深さまで循環させて同じ掘削孔で表面まで戻す管の閉ループを含む、地中に掘削された垂直および／または斜めの穴、を含む。
【０００５】
[0005]近年の発展によって、水ベースおよび直接交換のヒートポンプの効率が向上し、そのことが、大地結合熱交換器（earth coupled heat exchanger）の設計要件に影響を与えた。また、効率的な熱変換のために必要な、大地結合熱交換器の寸法および面積が、稼働されるべき構造物の需要負荷に対して適切に計算されることを確実にすることによって、予測ソフトウェアプログラムにおける進歩が、効率を向上させた。このソフトウェアの例は、各掘削孔（borehole）が、他から分離されるべき間隔の量、および必要な掘削孔のリニアフィート数（linear footage）に対する助言を行う。あるいは、プログラムは、大地結合熱交換器および開放型システムの他の例に対する要件を提供することができる。
【０００６】
[0006]掘削孔熱交換器を設置する例は、掘削孔を地中に所定の距離を空けて、ドリル、振動、オーガ、ボーリング、ハンマーまたは噴流で掘削すること、および、種々のヘッダーおよび回収システムによって掘削孔を接続することを含む。これらの設置方式のそれぞれは、掘削孔の効率を減じる可能性のある掘削孔間の熱連通を防止するために、個々の掘削孔を分離するのに必要な距離すなわち間隔のために、大量の表面積を必要とする可能性がある。このことは、表面領域の将来の使用に関する問題点をもたらす可能性がある。というのは、供給および回収の管路は、短期間の季節的な表面温度の変化および作用の影響を低減するのに十分なだけ表面より下、すなわち、通常６１．０から２４３．８センチメートル（２から８フィート）の間に存在するからである。別の選択肢は、表面または一点から、季節的な表面温度の変化および作用の影響を受ける層（level）の下まで、ほぼ３０°〜８５°の方位角で対角線に掘削し、各掘削孔を、他の掘削孔の表面の始点にごく接近して開始することである。これは、パッド掘削と呼ばれる。パッド掘削は、表面において乱される大地を最小限に保つ。しかし、パッド掘削は、全掘削孔間の熱対流のために、より多くの掘削孔を必要とする。また、最終的な深さにおける掘削孔が、表面領域の土地の境界線で画定される、隣接する所有権または敷設権を妨げないように注意が払われる必要がある。大半の法域は、隣接する所有地の隣を掘削するために必要な、掘削孔設置のセットバックを律する規制を有する。
【０００７】
[0007]掘削孔の向きにかかわらず、熱流体移送管路（複数可）が、掘削孔に挿入され、管路が完全であることを確保するために圧力試験がなされた後、各掘削孔の残りの部分が、すべての空所をなくして掘削孔を封止することを目的に、水をはじめ特別配合されたグラウトに至るまで、種々の材料で充填される。グラウトの異なる配合が、熱流体、導管、グラウト、および周囲の大地の間の熱伝導率を向上するための設計された効果を有する。管路中の熱流体の周囲の大地との熱伝導率の向上が、当業者に知られているように、エネルギー伝達を強化させる。閉ループ内で水と、任意選択の不凍剤および防錆剤とからなる水ベースの熱流体を循環させる、熱交換器内の熱流体移送管路用の導管として、通常、ポリエチレンチュービング（tubing）が使用される。
【０００８】
[0008]別の閉ループシステムは、圧縮機流体を、伝統的に銅で作られるチュービングを通して直接地中熱交換器に循環させる。この方式を使用するシステムは、水ベースの熱流体を循環させるポリエチレンチュービングに対して、より高い、熱交換器のリニアフィート（linear foot）当たりの効率を有する。これらのシステムは、ＤＸすなわち直接交換システムと呼ばれる。銅は、樹脂より高いエネルギー伝導特性を有し、それゆえ、熱エネルギー伝達は、より効率的である。いずれの場合でも、熱流体は、地中熱交換器ループを通って循環し、自然に暖められたまたは冷やされた液体が、通常は暖房または冷房を受ける建物内の、地表面に置かれた別の熱交換器に送られる。これは、いくつかの起こりうるエネルギーの熱交換のうちの１つである。
【０００９】
[0009]別の従来の掘削孔の選択肢は、掘削孔に入る流体が、配管、チュービングまたは保護管（casing）の外側の事実上分離された室内を、遠位端または底まで移行し、次いで、同じ管路の内側を、掘削孔の開始位置まで戻る、同軸構成の配管またはチュービングを使用する。暖房または冷房に応じて、流れが逆転される。別の同軸構成は、主たるチュービング、配管または保護管の内側または外側のいずれかの回りを渦巻（spiral）状に移行する移送管路を有する。掘削孔の付近または始点で出発して底または遠位端に至り、表面に戻る熱流体の運動を詳述する例および構成は、当業者にとって、多く存在する。
【００１０】
[0010]垂直の構成要素を有する従来の掘削孔熱交換器では、熱流体は、掘削孔の底または底付近まで移行し、次いで、同じ掘削孔内を移行して表面に戻る。チュービングまたは配管は、掘削孔に入る流体、および掘削孔を離れる流体からの熱エネルギー伝達を低減するために、管路の分離を保つように設計された、種々のクリップ、隔板または同軸室（coaxial chamber）によって分離されてよい。いくつかの例では、熱流体を運ぶ１本または複数本の管路は、隔離されてよい。しかし、地中熱交換器に入る流体を、地中熱交換器から出る流体から隔離する努力にもかかわらず、掘削孔の底に行く管路（複数可）と熱流体が表面に戻る管路（複数可）とが近いことによる、エネルギーの熱伝達が存在する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
[0011]遠位の管路が近位の管路のごく近くにあることを排除する多様な構成における掘削孔熱交換器を通して熱流体を移動させ、そのことで、地盤と熱流体との間のエネルギーの伝達が強化される方法および装置が、産業において、いまだに必要である。結果として、より少ない掘削孔が、同じ量のエネルギー伝達をもたらすために必要とされる。また、この処理は、設置コストを低減し、掘削孔の「場」に必要な土地の量を低減し、より多くの家屋所有者、設備、および機関が、大地結合システム利用の選択肢を利用することを可能にする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
[0012]装置および方法は、大地調達ヒートポンプに接続する水ベースおよび／または直接交換のシステムならびに／あるいは地下熱貯蔵を提供する熱交換器システムと共に使用するための、連続ループを有する地中熱交換器に関する。この方法および装置は、地中掘削孔の用途における熱変換効率を向上させる。
[0013]単一または複数の地中熱交換器は、地中にドリル、振動、ボーリング、オーガ、ハンマー、または噴流で掘削され、地中への入口の点から出口の点まで移動する連続的に一方向に循環する熱流体を提供し、大地結合の暖房、冷房および熱貯蔵処理と共に使用するためのエネルギー源をもたらす。地中熱交換器内の熱流体を循環させ移送するための方法および装置は、熱変換効率を向上させる。地中熱交換器導管のそれぞれは、例えば、熱流体の、周囲の構成物（formation）との熱対流の向上を支援することによって、導管を通る熱流体の流れを生成しまたは強化する機構を含んでよい。
【００１３】
[0014]説明された方法および装置を使用する地中熱交換器は、地中に存在する熱エネルギーを抽出し、注入し、または貯蔵する効率がより高く、したがって、地上、地下両方に必要な物理的な土地の量を低減し、それゆえ、コストを低減する。このことは、地表の所望の入口点および出口点を接続するために、掘削孔の角度を変える前に、地中掘削孔熱交換器を所定の距離に対して垂直に近い方位角で配置することによって達成される。この連続的なループ配列は、掘削孔を通って単一方向すなわち一方向に熱交換流体を循環させる能力をもたらし、連続的なループ配列のリニアフィート当たりの熱効率を向上させる。
【００１４】
[0015]地中連続ループ熱交換器の例示的一実施形態は、第１の端部における入口および第２の端部における出口を含む掘削孔と、掘削孔の少なくとも一部分の中に配置され、大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムに接続するための供給管路および戻り管路に機能的に接続される、流体のための導管とを含み、入口と出口とが所定の距離で分離され、入口における掘削孔の第１の熱膜と出口における掘削孔の第２の熱膜とは実質的に独立しており、掘削孔に対する流体流の方向は、一方向であり、掘削孔の大半の長さは、水平でない。
【００１５】
[0016]少なくとも１つの連続的掘削孔を含む地中連続ループ熱交換器を構築する例示的方法は、地層内にボーリングすることによって掘削孔を形成するステップと、流体のための導管を掘削孔の少なくとも一部分の中に配置するステップと、大地調達ヒートポンプに接続するための供給管路および戻り管路に掘削孔を機能的に接続するステップとを含み、掘削孔の第１の開口および掘削孔の第２の開口が、所定の距離だけ分離され、第１の開口における掘削孔の第１の熱膜と第２の開口における掘削孔の第２の熱膜とが、実質的に独立しており、掘削孔に対する流体流の方向が一方向であり、掘削孔の大半の長さが水平でない。
【００１６】
[0017]構造物の中で温度を調節する例示的方法は、地中連続ループ熱交換器の掘削孔内の導管を通して入口から出口まで流体を流すステップと、出口から大地調達ヒートポンプを通して流体を流すステップと、大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムから入口まで流体を戻すステップと、構造物の中の温度を調節するために大地調達ヒートポンプを動作させるステップとを含む。
【００１７】
[0018]熱エネルギーを地中連続ループ熱交換器内に貯蔵する例示的方法は、地中連続ループ熱交換器の掘削孔内の導管を通して入口から出口まで流体を流すステップと、出口から大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムを通して流体を流すステップと、大地調達ヒートポンプから入口まで流体を戻すステップと、熱エネルギーを地中連続ループ熱交換器を取り囲む地層と交換するために、大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムを動作させるステップとを含む。
【００１８】
[0019]上述の一般的な説明および以下の詳細な説明は、いずれも例示的かつ説明的であり、特許請求の範囲としての本発明のさらなる説明を提供することが意図されていることを理解されたい。
【００１９】
[0020]以下の詳細な説明は、同じ数字が同じ要素を示す添付の図面と併せ読まれてよい。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】[0021]掘削孔が地盤を通る連続ループに掘削された地中連続ループ熱交換器の例示的一実施形態を示す図である。
【図２】[0022]掘削孔の例示的一実施形態の代替構成を示す図である。
【図３】[0023]垂直でなくかつ水平でない掘削孔の向きの地中連続ループ熱交換器の例示的一実施形態を示す図である。
【図４】[0024]構造物の下に配置された掘削孔の例示的一実施形態を示す図である。
【図５】[0025]流体移送管路の一例および同軸挿入体の一例を示す掘削孔の例示的一実施形態の断面図である。
【図６】[0026]流体移送管路の一例およびねじりリボン（twisted ribbon）挿入体の一例を示す掘削孔の例示的一実施形態の断面図である。
【図７】[0027]流体移送管路の一例およびワイヤ挿入体の一例を示す掘削孔の例示的一実施形態の断面図である。
【図８Ａ】[0028]導管の中の流体流内の隆起プロフィール（raised profile）を示す掘削孔の断面図である。
【図８Ｂ】[0029]隆起プロフィールの一例を有する流体移送管路の断面図である。
【図９】[0030]同軸挿入体の例示的一実施形態の断面図である。
【図１０】[0031]ねじりリボン挿入体の例示的一実施形態の断面図である。
【図１１】[0032]渦巻刃挿入体を有する掘削孔の例示的一実施形態の切り欠き上面図である。
【図１２】[0033]ワイヤ挿入体を有する掘削孔の例示的一実施形態の切り欠き上面図である。
【図１３】[0034]渦巻羽根挿入体を有する掘削孔の例示的一実施形態の切り欠き上面図である。
【図１４】[0035]プロフィールチュービング（profile tubing）を有する掘削孔の例示的一実施形態の切り欠き上面図である。
【図１５】[0036]同軸挿入体をそれぞれ有する２本の導管を有する掘削孔の例示的一実施形態の切り欠き図である。
【図１６】[0037]ねじりリボン挿入体をそれぞれ有する３本の導管を有する掘削孔の例示的一実施形態の切り欠き図である。
【図１７】[0038]ヘッダおよび大地調達ヒートポンプからの供給管路に接続された２本の導管を有する掘削孔の例示的一実施形態の切り欠き図である。
【図１８】[0039]図１８Ａは、導管の長さに沿った複数の室すなわち空所を示す、地中連続ループ熱交換器の例示的一実施形態を示す図である。図１８Ｂは、導管の長さに沿った複数の室すなわち空所を示す、地中連続ループ熱交換器の例示的一実施形態を示す図である。
【図１９】[0040]図１９Ａは、掘削孔の長さに沿った複数の室すなわち空所を示す、地中連続ループ熱交換器の例示的一実施形態を示す図である。図１９Ｂは、掘削孔の長さに沿った複数の室すなわち空所を示す、地中連続ループ熱交換器の例示的一実施形態を示す図である。図１９Ｃは、掘削孔の長さに沿った複数の室すなわち空所を示す、地中連続ループ熱交換器の例示的一実施形態を示す図である。
【図２０】[0041]構築の中間段階における、少なくとも１本の連続的掘削孔を含む、地中連続ループ熱交換器の構築を示す概略図である。
【図２１】[0042]連結される前の掘削孔の第１の部分および掘削孔の第２の部分を示す、掘削孔を形成する別の例を示す図である。
【図２２】[0043]導管の掘削孔内への設置を支援する複数の装置を示す、地中連続ループ熱交換器の例示的一実施形態を示す図である。
【図２３】[0044]図２３Ａは、１本の連続的掘削孔を含む地中連続ループ熱交換器の構築の別の例、および熱グラウトを掘削孔内に置くシステムの一例を示す概略図である。図２３Ｂは、１本の連続的掘削孔を含む地中連続ループ熱交換器の構築の別の例、および熱グラウトを掘削孔内に置くシステムの一例を示す概略図である。
【図２４】[0045]熱グラウトを掘削孔内に置くための機器および工程を含む、地中連続ループ熱交換器の構築の別の例を示す概略図である。
【図２５】[0046]有利な熱的区域を識別し、特定の区域を目標として設定する地中連続ループ熱交換器が配置された、一塊の地盤３００を示す図である。
【図２６】[0047]１本の連続的掘削孔を含む地中連続ループ熱交換器の構築の別の例、および掘削の方法としてコイルまたはコイルドチュービング掘削を使用する一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
[0048]図１は、掘削孔が地盤を通して連続ループに掘削された地中連続ループ熱交換器の例示的一実施形態を示す。地中連続ループ熱交換器１０は、掘削孔１２が第１の位置、例えば埋設システムのための地層１８内、または地表システムのための地層１８の表面すなわち地面の上において開口する、第１の端部１６における入口１４を含む掘削孔１２と、掘削孔１２が、地層１８の第２の位置、例えば埋設システムのための地層１８内、または地表システムのための地層１８の表面すなわち地面の上の、地層１８の第２の位置において開口する、第２の端部２２における出口２０を含む。掘削孔１２の大部分は、季節的な温度の影響を受けやすい大地の層（ground level）２４より実質的に下、すなわち、通常、表面２６の下６１．０から２４３．８ｃｍ（２から８フィート）の間に存在する。流体のための導管２８（切り欠き図に示す）が、掘削孔１２の少なくとも一部分の中に配置される。例示的一実施形態では、導管は、合成物質、金属もしくは金属合金で形成されたチューブ（tube）もしくは管であってよく、内面もしくは外面のすべてもしくは一部の上に、同じ材料、異なる材料または組み合わせた材料からなる被膜を有してよい。
【００２２】
[0049]図１は、地層１８内の掘削孔１２の第１の端部１６を有し、反転する前に（before turning）表面２６から深さ（Ｄ）まで進み、例えば、対称的にまたは同じ円弧で第２の端部２２における表面２６に向かって戻り、地層１８で終端する埋設システムを示す。地中熱交換器の実働深さ（working depth）（ＤＷ）は、掘削孔が、季節的な温度の影響を受けやすい大地の層２４より下に延びる深さとして測定される。
【００２３】
[0050]図示された例示的実施形態では、第１の端部１６が入口であり、第２の端部２２が出口であるが、入口と出口とは、流体のための導管２８の、大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システム３８に対する供給管路３４および戻り管路３６との機能的な接続を容易にするために、必要に応じて切り替えられてよい。一例では、構造物４０の温度または他の環境パラメータを調節するために、大地調達ヒートポンプ３８自体が、構造物４０に機能的に接続される。図１では、大地調達ヒートポンプ３８が、構造物４０の地下室の中に置かれる。
【００２４】
[0051]入口１４および出口２０は、所定の距離（ＤＳ）だけ分離される。所定の距離は、入口１４における掘削孔１２の熱膜４２と出口２０における掘削孔１２の熱膜４４とが実質的に独立するように選択される。熱膜は、図１の点線で示される。図１では、所定の距離（ＤＳ）は大きく、それぞれの端部における熱膜は、決して重ならない。
【００２５】
[0052]図２は、入口１４と出口２０とがずっと小さい所定の距離（ＤＳ）だけ分離された、地中連続ループ熱交換器１０の第２の実施形態の拡大図を示す。図２の実施形態では、入口１４および出口２０のそれぞれの熱膜４２、４４は、それぞれの熱膜４２、４４の間の分離距離（ＤＥ）で立証されるように、重ならない。適切な所定の距離（ＤＳ）の一例は、少なくとも約７．６２メートル（２５フィート）、あるいは少なくとも約３．０５メートル（１０フィート）、あるいは少なくとも約０．９１メートル（３フィート）、あるいは約０．９１メートルと約３．０５メートル（約３フィートと約１０フィート）との間、あるいは約０．９１メートルと約１．５２メートル（約３フィートと約５フィート）との間である。図２に示される例では、所定の距離（ＤＳ）において、熱膜４２、４４の分離距離（ＤＥ）は、ゼロより大きく、好ましくは少なくとも約３０．５ｃｍ（約１フィート）より大きく、あるいは少なくとも約９１．４ｃｍ（約３フィート）より大きいことが分かる。
【００２６】
[0053]掘削孔が、それらを分離する明確に定められた直線距離を有する理由は、掘削孔間の熱対流および熱伝導を補償し、掘削孔を取り囲む大地温度が自然に復活するのに十分な領域が存在することを確実にするためである。エネルギーが、掘削孔の中に除去または注入されるので、周囲の地層が、時間がたつにつれて暖まるかまたは冷える。例えば、周囲の地層は、地盤の平均温度より冷たい流体が掘削孔を通って循環するときに大地から除去されたエネルギーを、熱膜内の領域を暖めることによって補う。このことは、大地調達ヒートポンプが暖房モードで動作されているときに起こる。掘削孔が、互いに接近しすぎているか、または浅すぎるならば、掘削孔と地盤との間もしくはその逆のエネルギー伝達は、地盤が順応できるよりも速いペースとなり、大地温度が熱流体の温度付近で均一になるという結果をもたらすであろう。掘削孔が互いに接近しすぎて隔置される場合には、熱連通は、供給源（source）と除去源（sink）との間にあるのではなく、掘削孔間にあるであろう。このことは、その場における掘削孔の熱効率の低下をもたらし、結果として、機器にストレス、非能率または突発故障をもたらす。接近して隔置された掘削孔を補償するために、１つの選択肢は、より多くの掘削孔を掘削すること、または直線深さを増すことであり、そのことは、コストを増加させる。
【００２７】
[0054]所定の距離（ＤＳ）は、用途によって変わる可能性があり、掘削孔が配置される地層の特性に対して、また用地の大きさに対して適切であるように、かつ／または地中連続ループ熱交換器で補助される大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムによってその温度が調節される構造物４０の負荷要件に基づいて、選択される。例えば、距離の制約があまりない場合は、図１の例示的実施形態に示されるような掘削孔１２の構成は、所定の距離（ＤＳ）が非常に大きいように、例えば数十フィートまたは数百フィート程度に、あるいは少なくとも約４．５７メートル（１５フィート）程度に、選択されてよい。しかし、距離の制約が適応される別の実施形態では、図２の例示的実施形態に示されるような掘削孔１２の構成は、所定の距離（ＤＳ）が非常に小さいように、例えば３０．５ｃｍ（１フィート）程度でかつ３．０５メートル（１０フィート）未満に、選択されてよい。図２に示される第２の例では、掘削孔は、入口および出口においてほぼ垂直であり、そのことは、例えば本明細書でさらに説明されるように、指向性ボーリング（directional boring）装置を用いて掘削孔を形成することによって達成される。
【００２８】
[0055]他の一例では、掘削孔が、例えば３．０５メートル（１０フィート）未満、あるいは１．５２メートル（５フィート）未満の小さい所定の距離（ＤＳ）を有するとともに、各熱膜が、例えば３．０５メートル（１０フィート）未満、あるいは１．５２メートル（５フィート）未満、さらには０．６１メートル（２フィート）未満の小さい分離距離（ＤＥ）を有するために、掘削孔は、入口および出口においてほぼ垂直である必要はない。例えば、切り欠き斜視図で図３に示されるように、地中連続ループ熱交換器１０の例示的一実施形態は、例えば３．０５メートル（１０フィート）未満、あるいは１．５２メートル（５フィート）未満の小さい所定の距離（ＤＳ）を有し、同様に、例えば３．０５メートル（１０フィート）未満、あるいは１．５２メートル（５フィート）未満、さらには０．６１メートル（２フィート）未満の小さい各熱膜４２、４４の分離距離（ＤＥ）を有する入口１４および出口２０に対して、垂直でなくかつ水平でない掘削孔１２の向きを有してよい。図示された実施形態では、距離ＤＳ、ＤＥに対する小さな値は、少なくとも部分的には、曲げられた掘削孔１２の向きと、涙滴に似たそのループ構成とによって達成されるが、他の向きおよびループ構成が使用されてもよい。
【００２９】
[0056]図４は、構造物４０の下に配置された掘削孔１２の例示的一実施形態を示す。この例示的実施形態では、入口１４と出口２０とが、対向辺上または隣接辺上など、構造物４０の異なる辺上に配置される。対照的に、図１の地中連続ループ熱交換器１０の掘削孔１２の例示的実施形態は、構造物４０の同一辺上に配置される。図４に示される残りの特徴は、図１の地中連続ループ熱交換器１０の掘削孔１２の例示的実施形態に関して示し、説明した特徴と同じである。
【００３０】
[0057]地中連続ループ熱交換器１０の例示的実施形態の流体流の方向は、掘削孔１２に対して一方向である。すなわち、導管２８を通る流体流（Ｆ）は、掘削孔１２の第１の端部１６から入り、第２の端部２２に向かって移動する一方向のみである。さらに、流体流（Ｆ）は、掘削孔１２に関して第１の端部１６から第２の端部２２に向かって一方向に移動した後、（例えば、大地調達ヒートポンプ３８を通って）第１の端部１６に戻され、そこで再び第１の端部１６から入る、連続ループの中にある。
【００３１】
[0058]例示的実施形態では、地中連続ループ熱交換器１０は、大半の長さが水平でない、あるいは長さの７５％超が水平でない、さらには長さの８５％超が水平でない掘削孔１２を有する。一例として、図１および図３を参照されたい。図１および図３において、掘削孔１２は、水平でない大半の長さを含む向きを有する。実際に、これらの例では、最深点５０における向きを除いて、掘削孔１２は、第１の端部１６から第２の端部２２までの全長にわたって水平でない。
【００３２】
[0059]例示的実施形態では、地中連続ループ熱交換器１０は、掘削孔１２の入口１４および掘削孔１２の出口２０の両方が、垂直から±１５度の範囲内、あるいは垂直から±５度の範囲内にある中心線５２を有する掘削孔１２を有する。他の代替実施形態では、掘削孔１２の中心線５２の向きは、掘削孔１２が凍結線２４より深くなるまでは、垂直から±１５度の範囲内、あるいは垂直から±５度の範囲内で継続する。そのような配列の一例が、図１および図２に示される。さらに、図２に関して、掘削孔１２の中心線５２は、少なくとも最深点５０の５０％の深さまでは、垂直から±５度の範囲内にある。
【００３３】
[0060]地層１８との間の熱交換を促進するために、熱交換媒体６０は、掘削孔１２の内壁６４と導管２８の外面６６との間の環帯６２（好ましくは、環帯全体）内に配置されてよい。熱交換媒体６０は、環帯６２内に、少なくとも季節的な温度の干渉を受けやすい大地の層２４の下まで、好ましくは環帯６２全体の中に配置され、周囲の地層１８との熱交換に寄与する。
【００３４】
[0061]熱交換媒体６０の一例は、Ｅｌｋｔｏｎ、Ｓｏｕｔｈ  ＤａｋｏｔａのＧｅｏＰｒｏ，Ｉｎｃが市販する「Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｇｒｏｕｔ  Ｓｅｃｌｅｔ」および「Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｇｒｏｕｔ  Ｌｉｔｅ」など、ベントナイトベースの熱グラウトである。熱交換媒体６０の別の例が、参照によりその内容全体が本明細書に組み込まれる米国特許第６，２５１，１７９号に開示される。米国特許第６，２５１，１７９号の熱交換媒体は、優れた熱伝導率および収縮低減特性によって、注目されている。従来の掘削孔のグラウト混合物は、初期には良好な封止を形成するが、時間がたつにつれて接合が劣化し、空隙の形成を引き起こして交換器の効率を大幅に減じる可能性のある、セメントおよびベントナイトを使用した。例示的代替実施形態では、熱交換媒体６０は、保水性を強化するために、合成材料を含んでよい。保水性強化材料の例は、石油およびガスの掘削流体ならびに産業用途において見出されるような、ゲル添加剤である。熱交換媒体６０の一態様は、水と接触してゲル材料を形成する重合体である。そのような重合体の例は、シリカまたは砕石からなる砂、ビーズ状もしくは粉末状のガラス、および／または金属もしくは金属合金などの熱伝導性の固体を、限定されることなく含む。いくつかの組合せにおける、水溶性のポリアクリルアミド重合体、生重合体、グアーガム（guar gum）またはキサンタンガム（xanthan gum）は、水を加えて元に戻すことができ（rehydrateable）、脱水時に亀裂ができない。
【００３５】
[0062]地中連続ループ熱交換器１０の例示的実施形態は、流体の流れが、流体と周囲の地層との間で最も効率的な熱変換を発生する方式で流体を循環させ、移送する。約２５００のレイノルズ数に対応するのに十分な容積および速度で導管を通る流体流は、一般に、当業者に知られているように、地中熱交換器を使用する効率的な熱変換に対する目標流量である。２３００と４０００との間の対応レイノルズ数を有する従来の大地調達熱交換器の中で使用されるような過渡的な流量が、導管内に収容された流れ強化機構（flow enhancement feature）の使用によって、または補助的な流れ強化機構の追加によって、強化された熱変換に遭遇する可能性のあることを、研究および試験が示している。
【００３６】
[0063]流量および流れ強化機構の最適な使用を確実にするために、地中掘削孔の大地の深さに対して解析が実施された。流れ強化機構は、使用される場合に、掘削孔（複数可）を収容する地層の熱的能力（thermal capability）を最大化するものであり、存在する条件に基づいて選択される。当業者に知られているように、地層の熱変換の限界を超えないが、供給源と除去源との間の可能性を最大化するように、注意が払われる。
【００３７】
[0064]地中連続ループ熱交換器１０の例示的実施形態は、地層と流体との間の熱変換効率を向上させるように、流体を循環させ、移送する。例えば、地中熱交換器は、地中熱交換器を通る流体流の乱流を生成し、強化もしくは増加させる機構を含んでよい。図５〜図７は、導管内の流体流の流れの中に置かれた、そのような流れ強化機構を概略的に示し、流れ強化機構は、例として、導管の内面上の１つまたは複数のリブ、導管内に配置された挿入体、および１つまたは複数の導管の表面上の隆起プロフィールを含んでよい。これらの流れ強化機構は、地中連続ループ熱交換器１０の熱変換効率を強化するために、単独でまたは組み合わせて使用されてよい。
【００３８】
[0065]図５〜図７は、流体移送管路の例および挿入体の例を示す掘削孔の例示的実施形態の断面図である。図示された例において、導管２８が、掘削孔１２内に配置され、導管２８と掘削孔１２との間に熱交換媒体６０が存在する。導管内に、挿入体８０が配置される。挿入体８０は、導管２８内を移動する流体が挿入体８０を通り過ぎて動くときに乱流を発生する、種々の形のうちの任意の形を取ってよい。図５では、挿入体８０は、同軸挿入体の形で示される。同軸挿入体は、渦巻形、ばね形を有する。同様に、らせん（helical）形が、同軸挿入体として使用されてよい。別の例では、渦巻刃が、同軸挿入体として使用されてよい。図６では、挿入体８０は、ねじりリボンの形で示される。図７では、挿入体８０は、ワイヤの形で示される。各例において、挿入体８０は、一連の構造物と一連の開口とを含み、それらの組合せが、導管２８内を移動する流体が挿入体８０を通り過ぎて動くときに、乱流を発生する。挿入体８０が作られる材料は、導管２８内を移動する流体が挿入体８０を通り過ぎて動くときに、乱流を発生することができ、かつ、許容できないレベルの腐蝕または他の故障モードを被ることのない、任意の適切な材料であってよい。
【００３９】
[0066]図８Ａは、導管の中の流体流内の隆起プロフィールを示す掘削孔の例示的一実施形態の断面である。図示した例では、導管２８が掘削孔１２内に配置され、導管２８と掘削孔１２との間に熱交換媒体６０が存在する。導管２８の内壁の表面は、導管２８の中の流体流内に置かれた１つまたは複数の突出部またはリブなど、隆起プロフィール８２を含む。これらの隆起プロフィール８２は、導管２８内を移動する流体が通り過ぎて動くときに乱流を発生する、種々の形のうちの任意の形を取ってよい。例えば、隆起プロフィールは、単一の断面平面状にあってよく、または、例えばより糸のように、いくつかの断面平面を横切ってよい。付随して、隆起プロフィール８２が、例えば成形によって、導管２８の中に一体的に形成される場合は、導管２８の外壁の表面は、対応する窪んだプロフィール８４を有する。付加的な利点として、隆起プロフィール８２は、単独でまたは（存在するならば）窪んだプロフィール８４との組合せで、流体および熱交換媒体６０と接触する導管２８の表面積を増加させ、それにより、地層と流体との間の熱伝達を増加させる。同様に、導管２８の内壁の表面と導管２８の外壁の表面との両方の上の隆起プロフィールが含まれてよく、それらは、同様に、流体および熱交換媒体６０と接触する導管２８の表面積を増加させ、それにより、地層と流体との間の熱伝達を増加させる。
【００４０】
[0067]図８Ｂは，隆起プロフィール８２の一例を有する流体移送管路の断面図である。この図において、内面が、隆起プロフィール８２を有する。例えば、内面は、より糸状のまたは線条のある（rifled）特性を有する隆起プロフィール８２を含んでよい。
【００４１】
[0068]図９および図１０は、同軸挿入体の２つの例を示す。図９では、渦巻形を有する同軸挿入体の例示的一実施形態が示される。同軸挿入体の本体９０は、その長さに沿って軸方向に渦巻形になる。図１０では、ねじりリボンの形を有する同軸挿入体の例示的一実施形態が示される。側面図では、ねじりリボンの表面９２は、その表面が、リボンのねじれによって形成される変曲点９４を通過するときに見ることができる。
【００４２】
[0069]図１１〜図１４は、導管内に異なる挿入体および隆起プロフィールを示す掘削孔の種々の例示的実施形態の切り欠き上面図を示す。図１１では、渦巻刃挿入体８６が示され、図１２では、ワイヤ挿入体８７が示され、図１３では、渦巻羽根挿入体８８が示され、図１４では、隆起プロフィール８２が示される。
【００４３】
[0070]掘削孔と導管との種々の配列および組合せが、熱効率を改善し、構造物の負荷要件に適合するために使用されてよい。例えば、流体のための複数の導管が、地中連続ループ熱交換器内に配置されてよい。各導管が、地中掘削孔の少なくとも一部分の中に配置されてよく、大地調達ヒートポンプに接続するための供給管路および戻り管路と機能的に接続されてよい。機能的な接続は、例えばヘッダシステムであってよい。
【００４４】
[0071]上で説明された配列および組合せのいくつかの例は、図１５〜図１７に示される。図１５は、それぞれが挿入体８０を有する２本の導管２８、２８’を有する掘削孔１２の例示的一実施形態の切り欠き図である。図１５の実施形態では、挿入体８０は同軸挿入体である。図１６は、それぞれが挿入体８０を有する３本の導管２８、２８’、２８”を有する掘削孔１２の例示的一実施形態の切り欠き図である。図１６の実施形態では、挿入体８０は、ねじりリボン挿入体である。図１７は、ヘッダ１００および大地調達ヒートポンプ３８からの供給管路３４に接続された２本の導管２８、２８’を有する掘削孔１２の例示的一実施形態の切り欠き図である。上で説明された複数の導管の代わりに、掘削孔１２は、本明細書で説明された乱流機構、例えば挿入体もしくは隆起プロフィールをそれぞれが含んでよい複数の流体移送管路を挿入された１本の導管２８を含んでよい。
【００４５】
[0072]代替の一実施形態では、地中連続ループ熱交換器は、その長さに沿って、１つまたは複数の室もしくは空所を含む導管を有する。地中連続ループ熱交換器の中を移動する流体は、正常動作の間にこれらの室もしくは空所に流入する。次いで、流体は、一定の直径の導管のみを通って流体が流れる場合よりも長い時間の間、これらの場所に留まる。このより長い滞留時間が、流体と周囲の地層との間の熱交換が増加することを可能にし、それにより、熱効率が向上する。
【００４６】
[0073]図１８Ａは、導管２８の長さに沿った複数の室もしくは空所１０２を示す、地中連続ループ熱交換器１０の一例を示す。図１８Ｂの拡大図に見られるように、室もしくは空所１０２は、例えば導管２８の製造工程の間に導管２８自体の中に組み込まれるか、または、別の例では、導管２８内に印加された圧力のもとで拡張した導管２８の領域であってよい。
【００４７】
[0074]図１９Ａは、掘削孔１２の長さに沿った複数の導管を示す、地中連続ループ熱交換器１０の一例を示す。切り欠き図である図１９Ｂの一例に示すように、掘削孔１２は、流体が流れて通る３本の導管２８を有する。導管は、周囲の地層との積極的な熱的接続を確実にするグラウト６０によって取り囲まれる。導管は、図１９Ｃの切り欠き図に示されるように、掘削孔の両端において終端し、ヘッダシステム１００の中に連結される。ヘッダ１００においてまとめられる複数の導管２８を有する掘削孔１２は、単一の管路３４として構造物４０の中に進み、大地調達ヒートポンプ３８に進む。
【００４８】
[0075]別の例示的代替実施形態では、地中連続ループ熱交換器の導管は、複数の掘削孔の中で直列に配列されるか、または複数の掘削孔の中で並列に配列される。導管に対して直列もしくは並列の配列を使用する選択は、とりわけ、地層の地質学的および熱的特性、用地の大きさおよび構造物の位置、ならびに負荷要件に基づいてよい。
【００４９】
[0076]地中連続ループ熱交換器に関する構造および装置は、任意の適切な手段を使用して構築されてよい。例えば、少なくとも１本の連続的掘削孔を含む例示的一実施形態では、掘削孔の第１の部分が、第１の開口から地層の中にボーリングすることによって形成される。掘削孔の第２の部分が、第２の開口から地層の中にボーリングすることによって形成され、第２の部分が第１の部分に連結されて、連続的掘削孔が形成される。次いで、流体のための導管が、掘削孔の少なくとも一部分の中に配置され、任意選択で、大地調達ヒートポンプに接続するための供給管路および戻り管路に機能的に接続される。上で説明され、本明細書に示されたように、例えば図１〜図４では、第１の開口と第２の開口とが所定の距離だけ分離され、第１の開口における掘削孔の第１の熱膜と第２の開口における掘削孔の第２の熱膜とは、実質的に独立している。さらに、掘削孔の大半の長さは、水平でない。
【００５０】
[0077]図２０は、構築の中間段階において少なくとも１本の連続的掘削孔を含む、地中連続ループ熱交換器の構築を概略的に示す。示された図の２００において、連結される前の、掘削孔の第１の部分２０２と掘削孔の第２の部分２０４とが示される。掘削孔を形成するために適切な機器は、掘削リグ、適切な掘削流体、掘削モータ、掘削ビット、流体ハンマーもしくは空気ハンマーを含み、それらのすべては、遠位端から近位端までの運動において支援するための付加的な地下の機械的手段である、方向誘導装置、掘削流体の混合、注入および回収システム、掘削流体および固体の制御システム、指向性掘削の記録および報告システム（複数可）を使用してよい。熱流体移送の準備ができた掘削孔を完成するために適切な機器は、掘削媒体が取り除かれるときに掘削孔を通して挿入され、押されかつ／または引かれる導管（複数可）を取り付けるための機構、熱グラウトが掘削孔全体を通して置かれることを確実にするために熱グラウトを混合、注入および設置する機器、熱流体、導管の完全性を圧力試験する機器、および掘削孔の熱抵抗を検証するための熱試験機器を含んでよい。
【００５１】
[0078]掘削孔を形成するために、適切な掘削ビットの向きを常時確保するように注意が払われるべきである。例示的一実施形態では、種々の会社によって製造される、機械的、電子的、パルス的、音響的、電磁的、磁気的および非磁気的方向誘導ツール、または種々の会社によって提供されるサービスが使用されてよい。他の有効な誘導ツールは、前述の動作プラットフォームのうちの任意の１つの上で動作可能な、掘削孔を通して掘削を誘導するためのビーコンおよび信号放出体（signal emitter）を含む。例えば、誘導装置が、第２の部分２０４を第１の部分２０２に連結するためのボーリングを支援するために使用されてよい。誘導装置の一例は、第１の部分２０２に置かれたビーコン２２０および第２の部分２０４に置かれたセンサ２２２の１つまたは複数を含む。センサ２２２は、掘削リグの運転室（operators station）内に置かれてよいセンサ監視器２２４と機能的に連絡している。センサ監視器２２４からの出力は、第２の部分２０４をボーリングして第１の部分２０２に連結することを誘導するために使用されてよい。例えば、ユーザが掘削を実時間で誘導することを可能にするために、出力が、監視システム２２６に送られてよい。この例では、誘導装置は、無線周波数、電気信号、磁場または音響信号を使用することができる。図２０では、方向誘導ツールは、ボーリング装置を所望の方向に誘導するのを支援する、１つまたは複数のドリルストリング定位装置（drill string orientation device）を有するコイルドチュービング掘削および／または操舵組立体ユニット２３０の中に一体化される。
【００５２】
[0079]図２１は、連結される前の、掘削孔の第１の部分２０２と掘削孔の第２の部分２０４とを示す、掘削孔の形成の別の例を示す。この図示された例において、当業者によって保護管２１２と呼ばれる長い管またはチュービングが、掘削孔の内側を一列に整列させるために使用され、開口２０８を通して、最初に完了している掘削孔区画２０２の中に置かれる。この例示的実施形態では、保護管は、非固結表土または非固結成分１８Ａの深さを確実に超え、次の層である地層１８Ｂに確実に入る距離を、下に向かって地中に延びる。また、図は、非固結地層レベル１８Ａを通って次の地層１８Ｂの中に延びる、始点２１０における第２の掘削孔２０４の中に置かれる、第２の区画の保護管２１６の例を提供する。保護管は、種々の鉄類もしくは鉄合金、または非鉄金属もしくは非鉄合金、あるいは合成材料で作られてよく、その表面は、完全にまたは部分的に、塗膜、塗装されてよく、または他の処理を施されてよい。
【００５３】
[0080]掘削孔の例示的一実施形態のこの断面では、保護管は、導管２０６が置かれ固定される前に掘削孔が早々と閉じられることを防ぐ。保護管は、掘削流体の回収、および掘削孔の掘削によって発生した切削屑の表面への移動、を支援するという代替目的を有してよい。
【００５４】
[0081]多くの状況において、保護管は、導管が完全性を試験され、掘削孔内の空所がグラウトで満たされた後に、掘削孔から取り除かれる。
[0082]あるいは、掘削孔は、図２２〜図２４に示されるように、停止することなく、１本の連続ループに掘削されてよい。
【００５５】
[0083]図２２は、掘削孔が地盤を通して連続ループに掘削された、地中連続ループ熱交換器の例示的一実施形態を示す。この例では、導管２０６はコネクタまたはカプラ２２９に取り付けられ、コネクタまたはカプラ２２９自体は、ドリルストリング２３６に接続されたバレルリーマ２３２または類似の装置に機能的に取り付けられる。
【００５６】
[0084]この例では、バレルリーマは、円錐形の先端（leading edge）を有し、掘削孔の直径すなわち口径にほぼ等しい直径のリーマ本体に移行する。リーマは、導管の滑らかな設置を支援するために、残留する切削屑または余剰物質を掘削孔の壁に突き固める目的を有する。
【００５７】
[0085]さらに、導管の掘削孔内への配置を位置決めまたは支援するために、受動的または能動的な機械的手段を使用して、導管を誘導または推進する装置２３０が示される。導管誘導または注入ユニット２３０は、導管の主体２２８と機能的制御状態にあってよく、またはなくてよい。例えば、導管の主体は、誘導または注入ユニットから、数フィートあるいは数百フィート離れてよい。別の例示的実施形態では、誘導または注入ユニットは、安定性をもたらし、導管に印加される力を機能的に増すために、大地に固定されてよい。印加される力は、オペレータが直接誘導または注入ユニットを制御して変更され制御されてよく、あるいは、オペレータが掘削リグ２４２上でドリルストリング２３６の取り出しを制御するのと同時に、変更され制御されてよい。この例では、掘削リグは、コイルドチュービングユニット２４２のモデルによって表される。導管誘導または注入装置２３０は、ケーブル２３１を介して掘削リグと接続されてよい。接続は、導管が掘削孔内に誘導または推進される速度が、ドリルストリングが他端で取り出される速度と同じであることを確実にするために、誘導または注入ユニットを機能的に制御するために設けられる。掘削リグを注入ユニットに接続するさらなる例は、掘削リグもしくは誘導ユニットのいずれかに対する機能的制御を有する複数の無線送信器であるか、あるいは両ユニットに無関係のオペレータである。
【００５８】
[0086]誘導または注入ユニットは、１本または複数本の導管を同時に取り扱う能力を有する。あるいは、誘導ユニットは、同じ掘削孔内で他の導管ではない１本の導管に機能的制御を加えることができる。すべての例において、誘導または注入装置は、導管が掘削孔を通って引き戻されるときの導管上の抗力または摩擦を低減または除去し、圧力下の導管の完全性に影響を与える可能性のある損傷を導管が受けないことを確実にするのを支援する。
【００５９】
[0087]図２３Ａは、１本の連続的掘削孔を含む地中連続ループ熱交換器の構築の別の例を概略的に示す。この例では、回転ユニットを装着されたトラックのモデルによって表される掘削リグ２４４が、第１の端部２５２から第２の端部２５４まで連続して掘削することによって、地中連続ループを形成している。図２３Ａの例では、掘削孔２６０は、第１の端部２５２および第２の端部２５４の両方において、ほぼ垂直な部分２６２を有する。
【００６０】
[0088]この例では、導管２０６が、始点２５２および他端２５４における掘削孔から延びる掘削孔２６０の全長の中に置かれている。掘削孔は、圧力下の導管の完全性を検証するための圧力試験を受けた。圧力試験が完了すると、掘削孔グラウト２７０が、この図示された例である混合ユニット２４８の中で混合される。グラウト混合ユニットは、ホースまたは導管２５０を介して掘削リグ２４４および掘削リグのための泥水ポンプ２５６に機能的に接続される。この図では、泥水ポンプ２５６が、掘削リグ２４４上に置かれ、掘削リグ２４４と機能的に連絡する。別の例では、泥水ポンプは、グラウト混合ユニット２４８の１つの機能的構成要素であってよい。次いで、グラウトが、始点２５２において掘削孔２６０内にポンプで注入され、ポンプ注入が、グラウトが掘削孔の端部２５４から突き出て、掘削孔内のすべての空所を有効に満たすまで継続する。図２３Ｂは、掘削孔の端部２５４を、突き出ている導管２０６およびグラウト２７０で表面まで満たされた掘削孔と共に示す。この例では、保護管は、グラウトが掘削孔内に置かれる前に、遠位端２５４から取り出されている。
【００６１】
[0089]また、図２３Ａは、保護管が取り出された後、溝が、季節的温度変動によって直接影響されない深さまで地中に掘り下げられた図を提供する。掘削孔は、溝の中で終端し、ヘッダが、熱流体を要望通りに誘導するために導管２０６に取り付けられる。グラウトの設置が成功裏に完了すると、始点２５２における保護管が、大地から取り出され、類似の溝が形成されて掘削孔を完成させる。
【００６２】
[0090]図２１、図２２、図２３Ａ、図２３Ｂでは、保護管の使用が、いくつかの構成において図示される。このことは、掘削孔の形成における保護管の使用の他の例を限定または排除するものではなく、図示の例を提供するものにすぎない。保護管使用の決定は、地中に見出される変数が、掘削孔が置かれることが望ましいと認定されることによって、明確に定められる。それゆえ、保護管の種類、構成および使用は、主観的であり、当業者には理解されるように、存在する大地の条件次第で変化する。
【００６３】
[0091]図２４は、地盤を通る連続的なループに掘削された掘削孔を有する地中連続ループ熱交換器、および熱グラウトを掘削孔内に置く方法の、例示的一実施形態を示す。図２４の例では、掘削孔２６０は、地表面に対してほぼ連続的な曲がりを有し、その掘削孔内の終端２５４から始点２５２まで、導管２０６が置かれたことを示す。さらに、トレミー管路（tremie line）２８０が、導管２０６と共に同じ方式で掘削孔内に挿入され、掘削孔の始点２５２まで引かれたことが、図２４に示される。掘削リグおよび導管誘導設置システムが、トレミー管路回収格納システム２８０、グラウト混合ユニット２４８、およびグラウト移送導管２５０を介してトレミー管路担体２８０と機能的に連絡して取り付けられたグラウトポンプ注入システム２５６を残して、掘削孔の直近から撤去されることが、さらに示される。この例では、グラウトポンプ２５６は、混合器２４８からグラウト２７０を受け、グラウトを、移送導管２５０を介して掘削孔の開始端２５２までのトレミー管路２８０の長さにわたり送る。掘削孔がグラウトで満たされるのにつれて、トレミー管路は、グラウトですべての空所を満たしながら、トレミー管路が端部２５４において掘削孔から現れるまで、掘削孔を通してゆっくりと引き戻される。
【００６４】
[0092]図２５は、地中連続ループ熱交換器が配置されている一塊の地盤３００を示す。見て分かるように、地中連続ループ熱交換器は、１８Ａ〜１８Ｅのいくつかの地層を横断し、その所望の熱交換機能に対して有利に配置される。ある１つの地層が他の隣接地層より高い熱伝導率を示すことは、当業者に理解されているとおりである。これに加えて、この場合では地層区域１８Ｃの例によって示されるように、所望の地層が認識されていると、この地層内に、掘削孔のかなりの部分を置くことが有利であろう。掘削孔の分離距離（ＤＳ）および熱膜の分離距離（ＤＥ）は、地表面においておよび深さにおいて、実質的に独立していることが、図２５にさらに示される。
【００６５】
[0093]図２６は、保護管２１２の上に配置され、掘削孔１２を１本の連続ループに掘削することを完了した、コイルチュービングリグ２４２を示す。例において、コイルドチュービング２３６は、掘削モータ２３０および方向誘導器（directional guidance）２２２の支援によって、機能的に掘削リグ２４２の後の表面に戻るように案内された。曲がり、すなわち、コイルドチュービング担体格納スプール２４８に巻かれることによってコイルドチュービング２３６に内在する、自然に記憶された曲がりが、大部分を曲げられた掘削孔を形成するのを付加的に助けた。
【００６６】
[0094]コイルドチュービングは、コイルドチュービング担体２４８から取り出され、首部（neck）２５８およびコイルドチュービング注入ヘッド２６４を通過するときに、コイルドチュービングが地中に挿入される前にコイルドチュービングを真っ直ぐにする明確な目的で、圧縮力を受ける。首部および注入ヘッドによってコイルドチュービングに印加される力を操作または調節することによって、チュービングが注入ヘッドを離れた後の、コイルドチュービングに残された残留記憶および／または曲がりの方向の量が増加または減少させることが可能であり、いくつかの例に見られたように、コイルの曲がりの量を増加させて実質的に曲がりを増幅させることが有利であることが見られた。残留記憶を操作することおよび／またはコイルドチュービングの曲がりを増すことの有利な特性が、地中掘削孔の曲がり部分を掘削する助けとなった。
【００６７】
[0095]図２６は、地盤を通ってループの中を掘削リグ２４２の後の表面まで戻る方向に移動するコイルチュービングを示す。他の例示的な例では、コイルチュービングは、当業者には理解されるように、例えば図２１または図２２に示されるように、掘削孔の掘削を支援するように操作された曲がりを有してよい。
【００６８】
[0096]本明細書ではボーリングとして説明されたが、掘削孔を形成する他の適切な手段は、ドリル、振動、オーガ、ハンマーまたは噴流による掘削を含む。多くの例では、表面で開始する掘削孔の最上部において、一時的または永久的な保護管を設定する必要がある。さらに、従来の回転掘削システム、流体式回転掘削システム、振動掘削システム、傾斜孔掘削システム、コイルまたはコイルドチュービングシステム、特殊掘削モータもしくはタービン掘削モータ、ラミング（ramming）、ジェットボーリングツールの使用が、掘削孔を形成するために使用されてよい。任意選択の機器およびシステムは、当業者に知られているような、掘削ツール（複数可）ならびに／あるいは保護および掘削管またはチュービングを促進するための誘導、電気的および／または機械的手段を含んでよい。
【００６９】
[0097]付加的な構築は、掘削孔の内壁と導管の外面との間の環帯の中に熱交換媒体を配置することを含む。本明細書で前に説明したように、熱交換媒体は、周囲の地層との熱交換に寄与する。
【００７０】
[0098]開示された地中連続ループ熱交換器は、（ｉ）暖房を構造物に提供するため、（ｉｉ）冷房を構造物に提供するため、または（ｉｉｉ）エネルギーを将来の使用のために貯蔵するために使用されてよい。さらに、開示された地中連続ループ熱交換器は、例えば、暖房を第１の構造物に提供し、冷房を第２の構造物に提供することによって、２つ以上の機能を提供するために使用されてよい。そのような一例では、開示された地中連続ループ熱交換器は、暖房を水泳施設を含む第１の構造物に提供し、冷房をスケート施設を含む第２の構造物に提供するために使用されてよい。
【００７１】
[0099]一般に、暖房モードにおいて大地調達ヒートポンプを使用する例では、冷たい流体は、地中連続ループ熱交換器の一端からポンプで汲み入れられ、地中連続ループ熱交換器の中を通って他端まで移動する間に暖まる。暖房シーズンを通して、このことが、掘削孔を取り囲む地層を幾分冷たくする。冷房シーズンでは、流体は掘削孔を通して反転され、地中連続ループ熱交換器を通って流れる流体は、周囲の地層を幾分暖かくし始める。熱抵抗および熱伝導率を計算するための産業規格公式を使用すると、本明細書で開示されたような地中連続ループ熱交換器を使用するすべての構成において、掘削孔の効率における大きな利得が確認された。建物外面の要件に応じて、建物暖房負荷の期間中に地中連続ループ熱交換器内を循環する冷たい熱流体の形態、または建物冷房負荷要件の期間中に循環する熱い熱流体の形態のいずれかでエネルギーのある一定の量が使用される。
【００７２】
[00100]上記を考慮すると、構造物内の温度を調節する例示的な１つの方法は、流体を地中連続ループ熱交換器の掘削孔内の導管を通して、入口から出口まで流すステップを含む。出口から、流体は、大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムを通って流れ、大地調達ヒートポンプまたは熱交換器システムから地中連続ループ熱交換器の入口に戻される。大地調達ヒートポンプは、構造物内の温度を調節するように動作される。地中掘削孔の少なくとも一部分の中に配置された、流体のための導管は、大地調達ヒートポンプに接続するための供給管路および戻り管路に機能的に接続される。さらに、入口および出口は所定の距離だけ分離され、入口における掘削孔の第１の熱膜と出口における掘削孔の第２の熱膜とは実質的に独立している。
【００７３】
[00101]暖房および冷房の「負荷」が構造物に対して（エネルギーの公称トンで測定されて）計算されると、地中熱交換器（複数可）の中に放出するのに必要な対応する量、および／または地中熱交換器から摂取されるのに必要なエネルギーの量が、明確に定められる。技術者または設計者は、最もコスト効率のよい構成で熱エネルギー変換要件を満たす地中熱交換器の設計を特定する。次いで、さらなる計算が、地中熱交換器に必要な場の大きさを明確に定める。垂直掘削孔の場合は、計算は、一般に、領域内の地層の熱効率に基づいて必要な掘削孔のリニアフィート数を生成する。
【００７４】
[00102]好ましい実施形態に関連して説明されたが、具体的に説明されていない追加、削除、改変および置換が、添付の特許請求の範囲で定義されるような本発明の趣旨および範囲を逸脱することなく行われうることは、当業者には理解されよう。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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１８Ａ−１８Ｂ】
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【図１９Ａ−１９Ｃ】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３Ａ−２３Ｂ】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【国際調査報告】
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