JP2003014385A - 地中熱採取用管、地中熱交換器及び地中熱利用熱交換システム - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 狭い敷地に敷設でき且つ地中に埋め込む工事
が容易で、更に地中との熱の授受の効率が良く、メンテ
ナンスの容易な、地中熱採取用管及びこの地中熱採取用
管を用いた地中熱交換器、地中熱利用熱交換システムを
提供しようとする。 【解決手段】 地中５２に埋設されて、有底の直管６２
の周壁を経由し該直管内を通る熱媒８８を介して地中と
使用負荷との間で熱が授受されるようになされたもので
あり、前記直管の少なくとも底部近傍の外周面にスクリ
ュー状のフィン１５０が巻き回わされ地中に螺入可能と
された地中熱採取用管であり、又、前記直管の外底部に
掘削刃１４４が取り付けられ地中に回転圧入可能とされ
た地中熱採取用管である。又、この地中熱採取用管を備
えた地中熱交換器６０であり、この地中熱交換器を含ん
で構成された地中熱利用熱交換システムである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は地中熱利用に関す
る。詳しくは、地中の恒温性を利用して、地中との熱の
授受により冷暖房、給湯、融雪等に要するエネルギの節
約を計る地中熱利用熱交換システム及びこのシステムに
用いられる地中熱採取用管、地中熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】地球温暖化への対策のため、化石燃料の
使用量の減少が求められている。エネルギ使用量のなか
でもかなりの割合を占める、冷暖房、給湯に使用される
電力あるいは燃料の削減のため、地中の恒温性を利用し
て地中と効率よく熱を授受することにより冷暖房、給
湯、融雪等の使用負荷につながる熱媒を加熱又は冷却
し、使用負荷を加熱又は冷却するためのエネルギを節約
することが近来試みられ、このような地中熱利用熱交換
システムの有効性が認識され出している。

【０００３】特に米国、欧州においてはここ数年で急激
に普及しつつある。米国におけるヒートポンプを利用し
た地中熱利用熱交換システムが４０万台に、欧州におい
ても十数万台に達しているのに対し、わが国ではその存
在を知る人さえまれであるのが現状で、一部に試験段階
の設備が作られているのみで実用化段階に達していな
い。

【０００４】米国においては、米国エネルギー省、米国
環境省及び電力会社の強力なバックアップ、普及活動が
寄与しているものと思われる。米国においては、このヒ
ートポンプを利用した地中熱利用熱交換システムが、省
エネ効果による経済的メリットの他にＣＯ_２排出量の削
減等環境負荷の低減に寄与することが高く評価されてい
る。

【０００５】欧州においては、スイスでの普及が著し
く、新築の個別住宅の８０％はヒートポンプを利用した
地中熱利用熱交換システムを導入しているといわれてい
る。スイスでは、特に静粛であること、熱源を地下にす
ることから隣人に迷惑をかけないことが高く評価され、
導入が急速に促進されているとされている。

【０００６】しかし、わが国においても、ＮＥＤＯ（新
エネルギー・産業技術総合開発機構）が開発予算を組ん
で民間での開発をバックアップしたり、岩手県では地中
熱利用熱交換システムとして地中熱ヒートポンプシステ
ムを採用したモデル住宅の建設が実施に移されようとし
ており、地中熱利用熱交換システムの普及活動が本格的
に立ち上がっている。

【０００７】地中熱利用熱交換システムの原理を説明す
ると、周知のように、数メートル乃至１００メートル前
後の深さの地中は、季節に寄らず略１５℃乃至略１０℃
のほぼ一定の温度に保たれている。従来の方式では、図
１７の地中熱利用熱交換システム１に示すように、この
恒温の土中２に長尺のＵ字型パイプ４を埋設し、地上に
露出したパイプの一方の口６から高温若しくは低温の不
凍液を流入させて、同じく地上に露出した他方の口８か
ら流出させ、ポンプ１０により循環させることにより、
地中で不凍液と地中の熱又は地中の冷熱の採取を行な
う。即ちＵ字型パイプ４とポンプ１０が地中熱交換器４
４を構成している。この循環する不凍液は、ヒートポン
プ１２の地中熱交換器側の熱交換機構１４を構成する熱
交換部流路１６を通って縦長Ｕ字型パイプ４との間を循
環している。更に、地中熱交換器側の熱交換機構１４を
構成する地中熱交換器側パイプ１８が、使用負荷側の熱
交換機構２０を構成する使用負荷側パイプ２２と環状に
連結され中を冷媒が循環している。地中熱交換器側パイ
プ１８の冷媒の出入口２６と、使用負荷側パイプ２２の
冷媒の出入口２８との間には、圧縮機３０が備えられ、
冷媒を圧縮して使用負荷側パイプ２２もしくは地中熱交
換器側パイプ１８へ送り出す。又、使用負荷側パイプ２
２の冷媒の出入口３６と、地中熱交換器側パイプ１８の
冷媒の出入口３８との間には、膨張弁４０が備えられ、
膨張弁４０を通過した冷媒が急激に膨張し、冷媒の温度
が下がる。

【０００８】又、使用負荷側の熱交換機構２０を構成す
る使用負荷側パイプ２２が使用負荷である温水器あるい
は、冷暖房器に連結され、使用負荷側パイプ２２内の冷
媒と熱交換が行なわれる。使用負荷が冷房負荷である場
合は、不図示の冷房端末器に連結されたパイプ１７、１
５の中を循環する熱媒が熱交換部流路１６ａの中で使用
負荷側パイプ２２内の冷媒と熱交換して冷却される。

【０００９】なお、使用負荷側パイプ２２の使用負荷が
冷房等の対象物を冷却する負荷である場合は、冷媒は図
１７の矢印Ａの方向に循環し、冷却のサイクルが行なわ
れる。使用負荷側パイプ２２の使用負荷が暖房や温水の
製造のように対象物を加熱する負荷である場合は、冷媒
は矢印Ａと逆の方向に循環し、上記と逆の冷却のサイク
ルが行なわれる。又、図１７のヒートポンプ１２は、公
知のヒートポンプである。

【００１０】又、図１８のような直管を地中に埋め込む
地中熱交換器６０ａの態様が知られている。図１８にお
いては、直管６２ａが地中５２ａに埋設され、中が不凍
液８８ａで満たされている。地中５２ａの熱は直管６２
ａの壁面を経由して不凍液８８ａに伝わる。直管６２ａ
の中には、内管６４ａが、内管６４ａの下端部６５ａの
開口６９ａが直管６２ａの内底部１６１ａの近傍にくる
位置まで挿入されている。直管６２ａの最上部は、上縁
を封止する蓋６６ａを備えているが、この蓋６６ａには
内管６４ａが貫通している。内管６４ａの上端部７７ａ
はこの蓋６６ａの外側に位置している。又、この蓋６６
ａには、上部通路管６７ａが貫通している。上部通路管
６７ａはその中に不凍液８８ａが通り、不凍液８８ａの
循環経路の一部を構成する。上部通路管６７ａは直管６
２ａの外部から蓋６６ａを貫通して直管６２ａの内部に
突入して、上部通路管６７ａの下端６８ａの開口７１ａ
が、直管６２ａの内部における上方に位置する。内管６
４ａの上端部７７ａと上部通路管６７ａの上端７３ａと
はそれぞれヒートポンプ１２に連結されている。

【００１１】これらの地中熱利用熱交換システムにおい
ては、ヒートポンプを使用せずに、使用負荷に連結する
熱交換器によって、不凍液と、この使用負荷に連結する
熱交換器側の熱媒とで直接熱交換させることも行なわれ
る。

【００１２】上述の、地中の恒温性を利用した従来の地
中熱利用熱交換システムは、熱エネルギを効率よく地中
から取り出すことにより、省エネルギと地球環境への負
荷低減に寄与する。あるいは、使用負荷を冷却するため
のエネルギが少なくてすむことで省エネルギと地球環境
への負荷低減に寄与する。しかし、地中熱を地中から取
り出すためには地中熱交換器としてパイプを地中に埋め
込む必要があり、この埋め込み工事に多額の費用がかか
る。

【００１３】そのため、特に米国では、埋め込みの費用
を節減するため、地中の浅いところに螺旋状又は水平波
状に曲げられた複数のパイプをループ状に張り巡らせる
図１９のような地中熱交換器８６ａの態様でこのシステ
ムの普及が進んできた。図１９においては、螺旋状に曲
げられた長尺のパイプ４ａが両端２１ａを地上に残して
地面５ａからそう深くない地中に横にして埋められ、両
端２１ａのそれぞれ及び地上の熱交換器１９ａを経由し
て例えば矢印Ｕの方向に不凍液が長尺のパイプ４ａの中
を循環している。

【００１４】しかしながら、図１９に示す螺旋状のパイ
プを用いた態様、又は図２０の地中熱交換器８６ｂのよ
うに水平波状に曲げられたパイプ４ｂを用いた態様は、
これらのパイプを面状に張り巡らせるための広い土地を
必要とし、国土の狭い日本では採用が難しい。従って、
直管又はパイプを縦に埋め込む図１７や図１８のような
態様が設置のための土地が比較的狭くてすむのでわが国
には適しているが、Ｕ字型パイプや直管を地中に埋め込
むには、先ず深く長い穴を地面から掘ってその後Ｕ字型
パイプや直管をその穴に投入し、最後に穴を埋めるなど
地中に埋め込む工事が容易でない。且つ深く長い穴を掘
る工事は、振動、騒音、排土を伴い、特に住宅密集地な
どでは施工に環境上の問題を生ずる。又、Ｕ字型パイプ
ではその外部表面積は限られており、土からＵ字型パイ
プへの伝熱の効率が良いとはいえない。更に、熱交換の
効率をあげるためパイプの径を太くすると、Ｕ字に曲る
部分の曲げの曲率を大きくしなければならず、パイプを
埋め込むための穴の径をおおきくせねばならなくなると
いう不都合が生ずる。

【００１５】更に、埋め戻しの用土は大量の空気をその
空隙に内包しており、地中に埋めこまれた直管やＵ字型
パイプの周囲土壌の熱伝導率が著しく低下することとな
り、熱交換の効率が非常に悪くなる。又、それを改善す
るためには特殊な用材で埋め戻す必要があり、このこと
が高コストにつながったり、メンテナンスを困難なもの
にしている。

【００１６】又更に、地中に埋め込まれたＵ字型パイプ
は、腐蝕等により発生した破損個所の発見が困難であ
り、又、修理のために地中から引き揚げることが極めて
困難である。

【００１７】従って、この省エネルギ並びに新エネルギ
利用技術を国内で普及させるためには、工事が簡単で騒
音や振動と排土を伴わず且つ狭い土地にもコンパクトに
設置できる地中熱交換器が求められる。

【００１８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、これら問題
点を解決し、狭い敷地に敷設でき且つ地中に埋め込む工
事が容易で、更に地中との熱の授受の効率が良く、メン
テナンスの容易な、地中熱採取用管及びこの地中熱採取
用管を用いた地中熱交換器、地中熱利用熱交換システム
を提供しようとする。

【００１９】

【課題を解決するための手段】本発明の要旨とするとこ
ろは、地中に埋設されて、有底の直管の周壁を経由し該
直管内を通る熱媒を介して地中と使用負荷との間で熱が
授受されるようになされたものであり、前記直管の外底
部に掘削刃が取り付けられ地中に回転圧入可能とされた
地中熱採取用管であることにある。

【００２０】又、本発明の要旨とするところは、地中に
埋設されて、有底の直管の周壁を経由し該直管内を通る
熱媒を介して地中と使用負荷との間で熱が授受されるよ
うになされたものであり、前記直管の少なくとも底部近
傍の外周面が、該外周面を螺旋状に巻き回わす筋状の凸
形状、もしくは溝形状を成し、地中に螺入可能とされた
地中熱採取用管であることにある。

【００２１】前記地中熱採取用管においては、前記直管
の少なくとも底部近傍の外周面に、スクリュー状のフィ
ンが巻き回わされ得る。

【００２２】前記直管の少なくとも底部近傍の外周面に
は、該外周面を巻き回わす螺旋方向に沿って突起列が設
けられ得る。

【００２３】前記突起は、フィンであり得る。

【００２４】前記直管の外底部には、掘削刃が取り付け
られ得る。

【００２５】更に、本発明の要旨とするところは、前記
地中熱採取用管と、前記熱媒と、前記熱媒と熱交換を行
う熱交換手段とを含む地中熱交換器であることにある。

【００２６】前記直管は、上端部を残して前記直管の中
に挿入され前記直管の内底部近傍に前記直管内部と導通
する開口を有する内管を備え得、該開口を経由して前記
熱媒が流れるようになし得る。

【００２７】又、本発明の要旨とするところは、前記地
中熱交換器と、使用負荷に連結された負荷熱交換手段と
を備えて構成され、地中熱を該地中熱交換器と該負荷熱
交換手段を経由して取り出すようになした地中熱利用熱
交換システムであることにある。

【００２８】前記地中熱利用熱交換システムは、前記地
中熱交換器に接続されたヒートポンプを備え得る。

【００２９】なお、本明細書においては、地中熱を取り
出すあるいは採取するとは、地下熱源を利用して負荷対
象物を加熱すること、あるいは地下熱源を利用して負荷
対象物を冷却することを意味する。

【００３０】

【発明の実施の形態】本発明に係る地中熱又は地中の冷
熱を利用する地中熱利用熱交換システムの模式図を図１
に示す。図１において、地中熱利用熱交換システム５０
は、地中５２に埋設された地中熱交換器６０と、ヒート
ポンプ７０と、地中熱交換器６０とヒートポンプ７０と
を環状に連結する連結管８０、連結管８２と、不図示の
冷暖房端末器を備えて構成されている。地中熱交換器６
０とヒートポンプ７０とを熱媒である不凍液８８が連結
管８０、連結管８２を介して循環している。この循環
は、連結管８０に備えられた循環用ポンプ９２により行
なわれる。循環用ポンプ９２は連結管８２に備えられて
いてもよい。

【００３１】この循環で、地中で加熱あるいは冷却され
た不凍液８８がヒートポンプ７０で熱交換され、更に、
ヒートポンプ７０中の冷媒と、不図示の冷暖房端末器や
温水器の負荷とヒートポンプ７０との間に介在する熱媒
との間で熱交換が行なわれる。

【００３２】地中熱交換器６０は直管６２を外管とし、
内管６４とから成る２重管９９を主体に構成されてい
る。直管６２は通常は長さが略４〜略６ｍである。それ
以上の長さであってもよい。略３０〜略１２０ｍであっ
てもよい。直管６２は底部６１が封止されており、不凍
液８８で満たされている。直管６２は、上端部の一部を
残して、もしくは全体を地中５２に縦に埋設して熱媒で
ある不凍液８８を入れて用いられる。即ち、直管６２は
地中熱採取用管５５を構成する主要素である。なお、直
管６２は、地中に斜めに配して、もしくは横臥させて埋
設されてもよい。

【００３３】内管６４はその中に不凍液８８が通り、不
凍液８８の循環経路の一部を構成する。内管６４は、下
端部６５で開放されて開口６９が形成されており、直管
６２の最上部から下方に向けて、内管６４の下端部６５
の開口６９が直管６２の内底部１６１の近傍にくる位置
まで挿入されている。

【００３４】即ち、直管６２の内部が、内管６４の管壁
から成る隔壁１７８により、直管の内周壁１８０に面す
る外室１７４と、内管６４の内部の内室１７６に隔てら
れている。外室１７４と内室１７６とは、開口６９を介
して導通している。

【００３５】直管６２の最上部は、上縁を封止する、着
脱自在な蓋６６を備えている。蓋６６は締結ボルト８１
を用いた着脱手段を備えている。この蓋６６には内管６
４が貫通している。内管６４の上端部７７はこの蓋６６
の外側に位置し、この内管６４の上端部７７に不凍液８
８の出入用の開口７９を有している。又、この蓋６６に
は、上部通路管６７が貫通している。上部通路管６７は
その中に不凍液８８が通り、不凍液８８の循環経路の一
部を構成する。上部通路管６７は直管６２の外部から蓋
６６を貫通して直管６２の内部に突入して、上部通路管
６７の下端６８の開口７１が、直管６２の内部における
上方に位置する。

【００３６】内管６４の循環経路の中間部即ち連結管８
０の中間部に不凍液８８を循環させるための送液手段８
９である循環用ポンプ９２が配されている。循環用ポン
プ９２は連結管８２の中間部に配されてもよい。上部通
路管６７の上端７３は不凍液８８の出入用の開口７５を
有し、その上端７３は連結管８２の１端に連結されてい
る。内管６４の上端は連結管８０の１端に連結されてい
る。連結管８２の他端及び連結管８０の他端はそれぞれ
不凍液８８を熱交換させる熱交換部流路９３に連結され
ている。

【００３７】更に、地中熱採取用管５５は、直管６２の
外周を螺旋状に巻いて、スクリュー状のフィン１５０が
取り付けられた構成となっている。又、直管６２の外底
には、掘削刃１４４を備えた掘削ヘッド１４０が取り付
けられている。

【００３８】ヒートポンプ７０は、地中熱交換器側の熱
交換機構９０と、使用負荷側の熱交換機構１００と、こ
の両者の間に介在して冷媒を循環させる循環部１３０と
から構成される。地中熱交換器側の熱交換機構９０は入
側熱交換パイプ７２を含み、入側熱交換パイプ７２は、
地中熱交換器側で熱交換される不凍液８８を更にヒート
ポンプ７０で熱交換させる熱交換部流路９３に接続され
ている。

【００３９】この地中熱交換器側の熱交換機構９０にお
いて、熱交換部流路９３に在る不凍液８８と入側熱交換
パイプ７２中の冷媒との間で熱交換が行なわれる。即ち
地中熱交換器側の熱交換機構９０は、熱媒である不凍液
８８の熱を熱交換して取り出す熱交換手段１３３であ
る。

【００４０】使用負荷側の熱交換機構１００は出側熱交
換パイプ１０２を含み、使用負荷の空気あるいは液体と
の熱交換を行なう。不図示の冷暖房端末器と熱媒循環パ
イプ８０ａ、８２ａを介して連結された図１の態様の場
合には、使用負荷側の熱交換機構１００は、熱媒循環パ
イプ８０ａ、８２ａ中を循環する熱媒８８ａを熱交換さ
せる熱交換部流路９３ａを備え、出側熱交換パイプ１０
２が熱交換部流路９３ａ中の熱媒８８ａに浸漬されてお
り、出側熱交換パイプ１０２中の冷媒と熱媒８８ａとで
熱交換が行なわれる。

【００４１】地中熱交換器側の熱交換機構９０及び使用
負荷側の熱交換機構１００における熱交換は、上述の方
式によらずとも、公知の各種の熱交換方式が採用されて
もよい。

【００４２】又、直管６２に充填され、そこを経由して
循環する熱媒としては、水、エチレングリコールを混合
した水等の不凍液、メタノール等のアルコール類あるい
はその水溶液、シリコンオイル等の油類、その他の液体
を用いることが出来る。

【００４３】地中熱交換器側の熱交換機構９０と、使用
負荷側の熱交換機構１００との間に介在して冷媒を循環
させる循環部１３０には、地中熱交換器側の熱交換機構
９０の入側熱交換パイプ７２と、使用負荷側の熱交換機
構１００の出側熱交換パイプ１０２との間を連結し、こ
の入側熱交換パイプ７２と出側熱交換パイプ１０２とを
冷媒が循環する循環路１２２が形成されている。循環路
１２２を形成するために、入側熱交換パイプ７２の１の
端部と、出側熱交換パイプ１０２の１の端部とが圧縮側
連結パイプ９５で連結され、入側熱交換パイプ７２の他
の端部と、出側熱交換パイプ１０２の他の端部とが膨張
側連結パイプ１０７で連結されている。

【００４４】使用負荷が冷房等の対象物を冷却する負荷
である場合は、ヒートポンプ７０が所謂冷房モードで運
転され、冷媒が、圧縮側連結パイプ９５の中間部に備え
られた圧縮機９６で圧縮され、矢印Ｂの方向に循環させ
られる。膨張側連結パイプ１０７の中間部には膨張弁９
７が備えられ、膨張弁９７の下流で冷媒が断熱膨張し、
冷媒の温度が低下する。

【００４５】使用負荷が暖房等の対象物を加熱する負荷
である場合は、ヒートポンプ７０が所謂暖房モードで運
転され、冷媒は図１の矢印Ｂと逆の方向に循環し、上記
と逆の循環で冷却のサイクルが行なわれる。

【００４６】なお、このヒートポンプ７０は、例えば
「電気工学ポケットブック：電気学会編、第４版 ９７
３ページ」に原理が記載されているような公知のヒート
ポンプであり、本発明に用いられるヒートポンプは、具
体的な構成が上記記載のものに限定されず、ヒートポン
プの機能を有するものであれば機構は問わない。

【００４７】本発明における地中熱利用熱交換システム
５０の働きを、使用負荷が暖房や温水の製造のように対
象物を加熱する負荷である場合を例に、以下に説明す
る。

【００４８】本発明における地中熱利用熱交換システム
５０において、直管６２の周壁６３を経由して、地中５
２と、直管６２の中の不凍液８８との間で熱の授受が行
なわれる。このときの伝熱はスクリュー状のフィン１５
０の効果で能率よく行なわれる。地中５２の熱で暖めら
れた直管６２の中の不凍液８８は、矢印Cの方向に循環
し，上部通路管６７から循環用ポンプ９２の作用で圧送
されて、連結管８２を介して熱交換部流路９３に導入さ
れる。熱交換部流路９３中の不凍液８８と、熱交換部流
路９３に接続している部分の入側熱交換パイプ７２の中
の冷媒との間で熱交換がなされ、冷媒が加熱される一方
で不凍液８８が冷却される。冷却された不凍液８８は、
熱交換部流路９３から連結管８０を介して内管６４を経
由して、内管６４の下端部６５から直管６２の内底部１
６１の近傍に放出される。不凍液８８は再び直管６２の
中で地中熱により暖められて上部通路管６７から循環用
ポンプ９２の作用で圧送されて、熱交換部流路９３に導
入される。この不凍液８８の矢印Cの方向の循環が繰り
返される。

【００４９】不凍液８８と熱交換した入側熱交換パイプ
７２の中の冷媒は、圧縮側連結パイプ９５を経て出側熱
交換パイプ１０２へ導入される。この間で、冷媒は圧縮
側連結パイプ９５に備えられた圧縮機９６で圧縮され
る。出側熱交換パイプ１０２へ導入された冷媒は使用負
荷である空気と熱交換されて冷却され、膨張側連結パイ
プ１０７を経て、入側熱交換パイプ７２へ戻される。膨
張側連結パイプ１０７の中間部には膨張弁９７が備えら
れ、膨張弁９７の下流で冷媒が断熱膨張し、冷媒の温度
が低下する。

【００５０】なお、使用負荷が冷房等の対象物を冷却す
る負荷である場合には、不凍液８８には矢印Ｃと逆の方
向の循環を行わせる。

【００５１】本発明の地中熱利用熱交換システムにおい
ては、ヒートポンプ７０を使用せずに、使用負荷に連結
する熱交換器によって、地中熱採取管５５を循環する不
凍液を、この使用負荷に連結する熱交換器側の熱媒とし
て直接熱交換させることも行なわれ得る。即ち、本発明
の地中熱利用熱交換システムは、上述の地中熱交換器
と、使用負荷に連結された負荷熱交換手段とを備えて構
成され、地中熱を該地中熱交換器と該負荷熱交換手段を
経由して取り出すようになしたものであり、その負荷熱
交換手段は上述のヒートポンプを含む図１の符号１１１
に示すものもあり、又、ヒートポンプを使用せずに、使
用負荷に連結する熱交換器のような負荷熱交換手段によ
って、地中熱を取り出すようになされたものもであって
もよい。

【００５２】本発明における地中熱利用熱交換システム
５０においては、地中熱交換器６０を構成する直管６２
の外周にスクリュー状のフィン１５０が取り付けられて
いるので、前述のように、地中５２と直管６２の中の不
凍液８８との熱の授受が能率よく行なわれる。従って、
従来の地中熱利用の地中熱利用熱交換システムに比べ
て、地中埋設するパイプの総延長長さを短くすることが
出来る。これにより、埋設工事が簡略化されて埋設コス
トが削減され、かつ、埋設部分の部材のコストの削減が
なされる。

【００５３】更に、本発明の地中熱利用熱交換システム
５０においては、地中熱交換器６０を構成する直管６２
の外底には、掘削刃１４４を備えた掘削ヘッド１４０が
取り付けられている。これにより、直管６２を、回転さ
せつつスクリュー状のフィン１５０の螺入スクリュー効
果を利用して相乗的に地中に螺入しつつ圧入することに
より、騒音、振動、排土を伴わずに、地中熱交換器６０
を比較的短時間でかつ周囲の土壌を乱すことなく地中に
埋設することが出来る。この埋設方法は、前述の従来の
Ｕ字型パイプの埋設工事の方法における土を掘って穴を
つくり、その穴にパイプを収めて再び土を埋め戻すとい
う作業に比べ、きわめて簡略化されかつ、低公害化、低
コスト化がなされている。

【００５４】このような埋設工事の簡略化により、本発
明の地中熱利用熱交換システム５０は、所定のパイプの
総延長長さのシステムにおいて、埋設コストの大幅な増
加を伴うことなく、多数の短い直管６２から成る地中熱
交換器６０を用いてそのシステムを構築することが出来
る。多数の地中熱交換器６０を限られた設置区域に適宜
分散配置することで土地の有効活用が可能となる。

【００５５】本発明の地中熱交換器においては、直管６
２がスクリュー状のフィン１５０を有さず、掘削ヘッド
１４０のみを備える態様もある。この態様においても、
直管６２を、回転させつつ地中に圧入することにより地
中熱交換器を比較的短時間でかつ周囲の土壌を乱すこと
なく、騒音、振動、排土を伴わずに地中に埋設すること
が出来る。

【００５６】又、本発明の地中熱交換器６０において
は、地中熱交換器６０が腐蝕等により破損した場合、蓋
６６をはずして内管６４や上部通路管６７を直管６２か
ら引き抜いて破損した個所を特定したり調べることが出
来る。又、破損した個所を調べて修復した後、内管６４
や上部通路管６７を再び直管６２に挿入し簡単に戻すこ
とも出来る。直管６２が破損した場合には、直管６２
を、地中に螺入や回転圧入するときと逆に回転させて地
中から容易に取り出し破損した個所を特定したり調べる
ことが出来る。又、破損した個所を調べて修復した後、
地中に螺入や回転圧入して容易に復元することが出来
る。

【００５７】図２に、スクリュー状のフィン１５０を備
えた地中熱採取用管５５の構成を示す。地中熱採取用管
５５は、直管６２の外周面にスクリュー状のフィン１５
０が取り付けられており、下端の外底に、掘削刃１４４
を備える掘削ヘッド１４０が取り付けられている。これ
により上述のように、直管６２もしくは地中熱採取用管
５５を、回転させつつスクリュー状のフィン１５０の螺
入スクリュー効果を利用して地中に螺入しつつ圧入する
ことにより地中に埋設することが出来る。符号６４は地
中熱採取用管５５に取り付けられる内管、符号６７は地
中熱採取用管５５に取り付けられる上部通路管である。

【００５８】スクリュー状のフィン１５０は直管６２の
全外周面にわたって取り付けられていてもよいが、少な
くとも、直管６２の底部近傍の外周面に取り付けられて
いればよい。図３に、直管６２ｈの底部近傍の外周面に
一周分の案内刃を兼ねたフィン１５０ｈを備え、外底部
に掘削ヘッド１４０を備えた、地中熱採取用管５５ｈを
示す。

【００５９】図４に掘削ヘッド１４０の一例を示す。図
４において、掘削ヘッド１４０は、円盤状のヘッド基板
１４２を備え、ヘッド基板１４２の面に、３個で一組の
掘削刃１４４と、回転支持部材１４６が取り付けられて
いる。ヘッド基板１４２は直管６２の底部を兼ねた部材
であってもよい。図４（ａ）は直管６２に取り付けられ
た掘削ヘッド１４０の正面模式図、図４（ｂ）は、図４
（ａ）を直管６２の底の方からみた底面図である。掘削
刃１４４は、ヘッド基板１４２の面上に、円盤状のヘッ
ド基板１４２の中心から僅かに偏心して放射状に配さ
れ、かつヘッド基板１４２の面上に僅かに斜めの角度で
図面視下方に立設し、図面視下端の縁部が浅い山形凸形
状をなす。回転支持部材１４６は、先端が鋭角の三角板
形状をなし、その底辺部がヘッド基板１４２の面上に固
定されるようにして、図面視下方に垂直に立設してい
る。回転支持部材１４６の先端はヘッド基板１４２の平
面視中央即ちヘッド基板１４２や直管６２の回転軸の位
置に位置する。

【００６０】このような掘削ヘッド１４０を直管６２の
下端に掘削刃１４４を下向きにして取り付けることによ
り、地中熱採取用管５５を地中へ回転圧入することで地
中を掘削し、図２のスクリュー状のフィン１５０のスク
リュー効果で地中熱採取用管５５を螺入させつつ地中を
下方又は所定の方向に掘り進んで、直管６２を埋設する
ことが出来る。

【００６１】図５に掘削ヘッドの他の態様を示す。図５
において掘削ヘッド１４０ｆは、直管６２ｆの下端部に
円盤状のヘッド基板１４２ｆを備え、ヘッド基板１４２
ｆの面に、４個で一組の掘削刃１４４ｆがヘッド基板１
４２ｆの中心から放射状に配され取り付けられている。
図５（ａ）は正面模式図、図５（ｂ）は、図５（ａ）を
直管６２ｆの底の方からみた底面図である。

【００６２】図６に掘削ヘッドの更に他の態様を示す。
図６において掘削ヘッド１４０ｇは、直管６２ｇの下端
部に直管６２ｇの外周面を半周してスクリュー状の掘削
刃２０４、２０６が相対して交差して取り付けられてい
る。図６（ａ）は正面模式図、図６（ｂ）は、図６
（ａ）を直管６２ｆの底の方からみた底面図である。

【００６３】本発明の地中熱交換器においては、図７の
地中熱採取用管５５ｉに示すように、スクリュー状のフ
ィン１５１が直管６２ｉの外周に断続的に巻き回され
て、スクリュー状のフィンの一部からなる突起列１５３
が形成されていてもよい。この突起１５５は、形状がフ
ィン状でなくとも、板状もしくは棒状であり、直管の表
面積を増加させフィンのような効果を有するものであ
り、且つ直管の螺入を助長する、もしくは螺入の妨げに
ならないものであればよい。又、地中熱採取用管５５ｉ
は掘削ヘッド１４０を備える。

【００６４】又、本発明の地中熱交換器においては、図
８（ａ）の断面図に示すように、直管６２ｊが、縦断面
でみて緩やかな蛇腹状の管体と類似の縦断面形状を有し
ているものであってもよい。図８（ｂ）に示すように、
この形状に由来する管壁の周面の凹凸は筋状に延長され
て、その筋が直管の周面を巻き回す螺旋状を成してい
る。このような蛇腹と類似の管壁の形状により、管壁の
周面の表面積が増大し、地中と、直管内の熱媒との間の
熱の伝導の効率が上がる。更に、この螺旋状の凹凸の筋
を利用して直管を地中に螺入することが出来る。

【００６５】又、本発明においては、直管周面を巻き回
す螺旋状の溝を設けて、この螺旋状の溝の凹凸の筋を利
用して直管を地中に螺入する態様をとることが出来る。

【００６６】本発明における地中熱採取用管の態様は、
上述の地中熱採取用管５５、５５ｆ、５５ｇ、５５ｈ、
５５ｉ、５５ｊのようなものに限定されない。例えば、
図９に示すような底が封止された直管６２ａから成る地
中熱採取用管５５ａであってもよい。内管６４ａと上部
通路管６７ａの機能は、図１の地中熱交換機における内
管６４と上部通路管６７の機能と同じである。図９に示
す地中熱採取用管５５ａはスクリュー状のフィンや掘削
ヘッドを有しないので、地中に螺入又は回転圧入するこ
とは出来ないが、先端の円錐状の突出部１５２を利用し
て地中に好ましくは軸方向に振動させつつ圧入すること
ができ、且つ従来のＵ字型のパイプ場合のような、掘っ
た穴に挿入したあとの土の埋め戻しを要しない。

【００６７】又、本発明における地中熱交換器の直管内
部の態様は図１０に示すように、螺旋状の熱交換用パイ
プから成る内部管６４ｂを備えた直管６２ｂから成るも
のであってもよい。図１０に示す態様においては、直管
６２ｂに熱媒が満たされ、その熱媒の中に螺旋状の熱交
換用パイプから成る内部管６４ｂが浸漬される。又、内
部管６４ｂの中には熱媒が循環する。内部管６４ｂの中
に循環する熱媒は、直管６２ｂの中に入っている熱媒と
同様のものであってもよい。異なるものであってもよ
い。地中熱は直管６２ｂの周壁から直管６２ｂ中の熱媒
に伝わり、更に内部管６４ｂの中の熱媒の熱と熱交換さ
れ、地中熱採取用管５５ｂから取り出される。矢印Ｄ、
Ｅは、不図示の送液手段によって送液される内部管６４
ｂの中の熱媒の流れる方向である。熱媒は矢印Ｄ、Ｅと
は逆の方向に流れるように送られてもよい。即ち、この
不図示の送液手段と、内部管６４ｂの中に循環している
熱媒とによって構成される熱交換手段により、直管６２
ｂの中に入っている熱媒との熱交換がなされる。なお、
直管６２ｂの外周面には、図２に示すようなスクリュー
状のフィン１５０が取り付けられていてもよい。直管６
２ｂの底に円錐状の突出部１５２ｂのかわりに掘削ヘッ
ドが取り付けられていてもよい。

【００６８】又、本発明における地中熱交換器は、図１
０に示す内部管６４ｂにかえて、図１１に示すような、
Ｕ字管から成る熱交換用パイプから成る内部管６４ｃを
備えた直管６２ｃから成るものであってもよい。

【００６９】又、本発明における地中熱交換器は、内部
管６４ｂにかえて、図１２に示すような、多段に折り曲
げられた管から成る熱交換用パイプから成る内部管６４
ｅを備えた直管６２ｅから成るものであってもよい。

【００７０】又、図１３に示すように、地中熱採取用管
５５ｄが、直管６２ｄの長手方向に平行に放射状に多段
に配された熱交換効率を上げるためのフィン１５０ｄを
備えてもよい。更に、直管６２ｄの下端が円錐状の突出
部１５２を備えることも出来る。このフィン１５０ｄを
備えた場合でも、円錐状の突出部１５２の効果により、
地中熱採取用管５５ｄを地中に容易に圧入することが出
来る。

【００７１】これらの本発明の地中熱採取用管において
も、蓋をはずして内管や上部通路管を直管から引き抜い
て破損した個所を特定したり調べることが出来る。又、
破損した個所を調べて修復した後、内管や上部通路管を
再び直管に挿入し戻すことも出来る。直管が破損した場
合には、直管を、地中から容易に引き抜いてもしくは回
しながら取り出し、破損した個所を特定したり調べるこ
とが出来る。又、破損した個所を調べて修復した後、地
中に容易に挿入して埋め戻すことが出来る。

【００７２】本発明の地中熱利用熱交換システム５０を
用いた家屋の冷暖房の態様の例を図１４に示す。図１４
において、本発明の地中熱利用熱交換システム５０が家
屋１６０に取り付けられている。ヒートポンプ７０の使
用負荷側は室内の冷暖房端末器１６６ａ、１６６ｂと、
循環パイプ１６２でつながっている。ヒートポンプ７０
の地中熱交換器側は、連結管８０、連結管８２を介して
地中熱交換器６０と連結されている。地中熱交換器６０
は地中に垂直に埋設されている。不凍液がヒートポンプ
７０の地中熱交換器側の熱交換器と地中熱交換器６０と
の間で不図示の循環ポンプにより循環し、地中と不凍液
との間で熱の授受が行なわれ、その熱はヒートポンプ７
０の地中熱交換器側の熱交換器、ヒートポンプ７０の使
用負荷側の熱交換器を経て室内の冷暖房端末器器１６６
ａ、１６６ｂに送られる。図１４の態様における使用負
荷側は冷暖房端末器に限らず給湯器等各種の加熱や冷却
用の端末器が使用される。

【００７３】本発明においては、用いられるヒートポン
プは、大気中への排熱を基本的には伴わないので、屋
外、屋内を問わず任意の場所に設置が可能である。

【００７４】図１５は、複数の地中熱交換器を用い、地
中との熱の授受の容量を大きくした地中熱利用熱交換シ
ステム５０ａの態様である。複数の地中熱交換器６０を
並列に連結管８０、連結管８２に接続し、これにより地
中との熱の授受の容量を大きくすることが出来る。複数
の地中熱交換器６０は直列に連結してもよい。

【００７５】なお、本発明の地中熱利用熱交換システム
の、ヒートポンプにおける熱交換の態様は、前述のよう
に、図１に示す方式によらずとも、公知の各種の熱交換
方式が採用されてもよく、その一例を図１６に示す。図
１６において、地中熱交換器側の熱交換機構９０ａは入
側パイプ７２ａと、出側パイプ７８ａから成り、入側パ
イプ７２ａの長手方向にみた中間部と出側パイプ７８ａ
の長手方向にみた中間部が、互いに撚り合わされてい
る。この撚り合わせによる相互の接触でそれぞれのパイ
プの中を流れる液の間の熱交換がなされる。使用負荷側
の熱交換機構１００ａは入側パイプ１０２ａと、出側パ
イプ１０８ａから成り、入側パイプ１０２ａの長手方向
にみた中間部と出側パイプ１０８ａの長手方向にみた中
間部が、互いに撚り合わされている。この撚り合わせに
よる相互の接触でそれぞれのパイプの中を流れる液の間
の熱交換がなされる。出側パイプ７８ａと入側パイプ１
０２ａとは連結管２６ａと、連結管３８ａにより、圧縮
機３０、膨張弁４０を介して冷媒が循環するように連結
されている。この図１６に示すヒートポンプ７０ａも、
負荷に応じて所謂暖房モードあるいは所謂冷房モードの
いずれかのモードで運転される。

【００７６】以上本発明の地中熱採取用管、地中熱交換
器及び地中熱利用熱交換システムの態様を説明したが、
本発明はその趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の知識に
基づき種々の改良、修正、変形を加えた態様で実施し得
るものであり、これらはいずれも本発明の範囲に属する
ものである。

【００７７】

【発明の効果】本発明の地中熱利用熱交換システムは、
それに用いられる地中熱採取用管の埋設工事を簡易化す
ることが出来る。

【００７８】本発明の地中熱利用熱交換システム、地中
熱交換器及び地中熱採取用管により、地中との熱の授受
を効率よく行ない、地中の恒温性を冷暖房や、給温水、
給冷水、融雪等の加熱、冷却用機器に利用することが出
来る。

【００７９】更に、本発明の地中熱利用熱交換システム
においては、それに用いられる地中熱採取用管の長さを
短くして、縦に地中に埋設された多数の地中熱採取用管
が並列もしくは直列に連結された地中熱利用熱交換シス
テムを構築する場合、その埋設工事が極めて簡略化され
る。これにより、工事工数の削減ができ、且つ縦に地中
に埋設することで地中熱採取用管の設置スペースの削減
に大きく貢献出来る。同時に埋設個所の選定の自由度が
高いので、土地地形への対応の自由度が非常に高くな
る。

【００８０】本発明の地中熱利用熱交換システムにおい
ては、地中熱交換器やそれに用いられる地中熱採取用管
が腐蝕等により破損した場合破損した個所の調査や修復
の作業が容易である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の地中熱利用熱交換システムの構成を示
す説明模式図である。

【図２】本発明の、スクリュー状のフィンを備えた地中
熱採取用管の構成を示す要部斜視図である。

【図３】本発明の、スクリュー状のフィンを備えた他の
態様の地中熱採取用管の構成を示す要部斜視図である。

【図４】掘削ヘッドの構成を示す正面模式図（図４
（ａ））と底面模式図（図４（ｂ））である。

【図５】他の態様の掘削ヘッドの構成の一例を示す正面
模式図（図５（ａ））と底面模式図（図５（ｂ））であ
る。

【図６】他の態様の掘削ヘッドの構成の他の一例を示す
正面模式図（図６（ａ））と底面模式図（図６（ｂ））
である。

【図７】本発明の、他の態様の地中熱採取用管の構成を
示す要部斜視図である。

【図８】本発明の、他の態様の直管の構成を示す要部斜
視図である。

【図９】本発明の、更に他の態様の地中熱採取用管の構
成を示す要部斜視図である。

【図１０】本発明の、又更に他の態様の地中熱採取用管
の構成を示す要部斜視図である。

【図１１】本発明の地中熱交換器の構成の一例を示す要
部斜視図である。

【図１２】本発明の地中熱交換器の構成の他の一例を示
す要部斜視図である。

【図１３】本発明の地中熱採取用管の構成の他の一例を
示す要部斜視図である。

【図１４】本発明の地中熱利用熱交換システムを用い
た、家屋の冷暖房の態様の１例を示す模式図である。

【図１５】本発明の地中熱利用熱交換システムを用いた
家屋の冷暖房の、態様の他の１例を示す模式図である。

【図１６】本発明の地中熱利用熱交換システムに用いら
れるヒートポンプにおける、熱交換の態様の一例を示す
模式図である。

【図１７】従来の地中熱利用熱交換システムの構成を示
す説明図である。

【図１８】従来の地中熱交換器の構成を示す説明図であ
る。

【図１９】従来の地中熱交換器の他の構成を示す説明図
である。

【図２０】従来の地中熱交換器の更に他の構成を示す説
明図である。

【符号の説明】

１、５０、５０ａ：地中熱利用熱交換システム ４：縦長Ｕ字型パイプ １０：ポンプ １６、９３：熱交換部流路 ３０、９６：圧縮機 ４０、９７：膨張弁 ５５、５５ａ、５５ｂ、５５ｄ、５５ｈ、５５ｉ：地中
熱採取用管 ４４、６０、６０ａ、８６ａ：地中熱交換器 ６２、６２ａ、６２ｂ、６２ｃ、６２ｄ、６２ｅ、６２
ｆ、６２ｇ、６２ｈ、６２ｉ、６２ｊ：直管 ６３、６３ｂ：周壁 ６４、６４ａ、６４ｃ、６４ｅ：内管 ６５、６５ａ：下端部 ６９、６９ａ、７１、７９：開口 １２、７０：ヒートポンプ ８９：送液手段 ９２：循環ポンプ １１１：負荷熱交換手段 １４０、１４０ｆ：掘削ヘッド １４４：掘削刃： １５０、１５０ｄ、１５０ｈ：フィン １７４：外室 １７６：内室 １７８：隔壁 １８０：内周壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 3H111 AA01 BA01 BA35 CB23 DA23 DB15 3L103 AA02 AA03 AA05 AA35 AA46 BB42 BB43 BB50 CC02 CC04 DD04 DD05 DD06 DD08 DD33 DD70

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 地中に埋設されて、有底の直管の周壁を
   経由し該直管内を通る熱媒を介して地中と使用負荷との
   間で熱が授受されるようになされたものであり、前記直
   管の外底部に掘削刃が取り付けられ地中に回転圧入可能
   とされた地中熱採取用管。
2. 【請求項２】 地中に埋設されて、有底の直管の周壁を
   経由し該直管内を通る熱媒を介して地中と使用負荷との
   間で熱が授受されるようになされたものであり、前記直
   管の少なくとも底部近傍の外周面が、該外周面を螺旋状
   に巻き回わす筋状の凸形状、もしくは溝形状を成し、地
   中に螺入可能とされた地中熱採取用管。
3. 【請求項３】 前記直管の少なくとも底部近傍の外周面
   に、スクリュー状のフィンが巻き回わされた請求項２に
   記載の地中熱採取用管。
4. 【請求項４】 前記直管の少なくとも底部近傍の外周面
   に、該外周面を巻き回わす螺旋方向に沿って突起列が設
   けられた請求項１に記載の地中熱採取用管。
5. 【請求項５】 前記突起がフィンである請求項４に記載
   の地中熱採取用管。
6. 【請求項６】 前記直管の外底部に掘削刃が取り付けら
   れた請求項２乃至５のいずれかに記載の地中熱採取用
   管。
7. 【請求項７】 請求項１乃至６のいずれかに記載の地中
   熱採取用管と、前記熱媒と、前記熱媒と熱交換を行う熱
   交換手段とを含む地中熱交換器。
8. 【請求項８】 前記直管が、上端部を残して前記直管の
   中に挿入され前記直管の内底部近傍に前記直管内部と導
   通する開口を有する内管を備え、該開口を経由して前記
   熱媒が流れるようになした請求項７に記載の地中熱交換
   器。
9. 【請求項９】 請求項７又は８のいずれかに記載の地中
   熱交換器と、使用負荷に連結された負荷熱交換手段とを
   備えて構成され、地中熱を該地中熱交換器と該負荷熱交
   換手段を経由して取り出すようになした地中熱利用熱交
   換システム。
10. 【請求項１０】 前記地中熱交換器に接続されたヒート
    ポンプを備えた請求項９に記載の地中熱利用熱交換シス
    テム。