JP2003130471A - 地中熱交換器 - Google Patents

地中熱交換器

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Abstract

(57)【要約】 【課題】 設置後のメンテナンスが容易で、熱媒体の流
通を確保することができ、傾斜孔や水平孔に設置が可能
な地中熱交換器を提供する。 【解決手段】 地盤１に掘削された坑井２内に挿入さ
れ、下端部１２が封鎖された外筒５と、下端の側壁部分
に流体が流通する流通孔１３が設けられ、外筒５内に隙
間を有して挿入される内筒６と、坑井２と外筒５との間
に注入されて外筒５を地盤１に固定する良熱伝導性のグ
ラウト４と、地盤１上方に抜き出た外筒５の上部及び内
筒６の上部を着脱自在に連結する連結機構２０とを備え
ていることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、地上と地下との温
度差を、流体を効率良く熱交換器にて循環させることに
より、地上での熱利用を可能にした装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】特許第２７００９９８号公報には、地下
岩盤と地上の熱交換器との間に不凍液の循環路を設け、
地熱を地上に運んで利用する従来の地中熱交換器が記載
されている。図７は、この従来の地中熱交換器を示し、
外筒１００及び外筒１００内に挿入される内筒１１０を
備えている。
【０００３】外筒１００は、地盤１２０に掘削された坑
井１３０に挿入されるものであり、符号１０２で示すよ
うに下端部が封鎖されている。この外筒１００と坑井１
３０との間に硅砂からなるグラウト１４０が充填される
ことにより外筒１００の固定がなされている。
【０００４】内筒１１０は、下端部１１１が開放され、
上端部分は電熱器に連結されている。電熱器１７０は、
チャンバ１５０を加熱するためのものである。内筒１１
０は、管路２００によってポンプ１８０及び熱交換器１
９０に接続されている。この従来の地中熱交換器は、坑
井１３０の上部に断熱材２１０を充填することにより、
グラウト１４０の熱を地上に漏洩しないようになってい
る。
【０００５】かかる地中熱交換器は、ポンプ１８０の駆
動によって不凍液からなる熱媒体を内筒１１０内に供給
し、その下端部１１１から内筒１１０及び外筒１００の
間に流通させる。この流通の間にグラウト１４０から伝
達された地中熱が熱媒体に吸収され、地上の熱交換器１
９０により熱交換される。これにより、地中熱の有効利
用を図ることができる。
【０００６】
【発明が解決しよとする課題】しかしながら、従来の地
中熱交換器は、内外両筒を相対変位不能な２重管構造と
しており、設置後のメンテナンスについては考慮されて
おらず、設置後に分解、点検、修理を行うことが不可能
となっている。また、外筒１００と坑井１３０との間の
グラウト１４０として硅砂を使用しているため、鉛直坑
以外の坑井ヘの適用ができないという不便さを有してい
る。さらに、内筒１１０の下端部が外筒１００に当接し
た場合には、内筒１１０の下端部に対する熱媒体の流通
が妨げられるため、熱交換を円滑に行うことができない
問題を有している。
【０００７】本発明は、このような従来の問題点を考慮
してなされたものであり、設置後のメンテナンスが可能
であるとともに、傾斜孔や水平孔などの坑井に対しても
適用することができ、さらには、熱媒体の良好な循環を
行うことができる地中熱交換器を提供することを目的と
する。
【０００８】
【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、請求項１の発明は、地盤に掘削された坑井内に挿入
され、下端部が封鎖された外筒と、下端が開放されると
ともに、下部の側壁部分に流体が流通する流通孔が設け
られ、前記外筒内に隙間を有して挿入される内筒と、前
記坑井と外筒との間に注入されて外筒を地盤に固定する
グラウトと、地盤上方に突き出た外筒の上部及び内筒の
上部を着脱自在に連結する連結機構とを備えていること
を特徴とする。
【０００９】請求項２の発明は、請求項１記載の発明で
あって、前記外筒と前記内筒との隙間を保つセントララ
イザが、適宜間隔で設けられていることを特徴とする。
【００１０】請求項３の発明は、請求項１又は請求項２
記載の発明であって、シリカなどの良熱伝導性素材を含
むグラウトが、坑井と外筒との間に注入されて、外筒が
地盤に固定されていることを特徴とする。
【００１１】請求項４の発明は、請求項１又は請求項２
記載の発明であって、前記内筒の浮力を相殺し、かつ内
筒の変位を防止するカウンタウエイトが前記内筒の下部
に取付けられていることを特徴とする。
【００１２】請求項５の発明は、請求項１から請求項４
のいずれかに記載の発明であって、前記内筒と外筒は、
熱伝導性の異なった素材であり、内筒に比べて外筒の熱
伝導特性が良好な素材であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明の一実施の形態について、
図面を参照して説明する。図１は、この実施の形態の地
中熱交換器を示し、地盤１に掘削された坑井２に外筒５
及び内筒６からなる２重管構造体が挿入されている。
【００１４】外筒５は、図２に示すように、継ぎ目部分
としてのアプセット部７を介して耐腐食性の複数の金属
管が溶接等により長手方向に連結されることにより形成
されている。耐腐食性の金属管としては、ＳＵＳ３０４
等のステンレス鋼管を使用することができる。また、外
筒５の下端部は、ボトムキャップ１２によって封鎖され
ている。
【００１５】内筒６は、ポリブテン等のプラスチック管
あるいは金属管が使用され、これらが図２に示すよう
に、ソケット１０を介して長手方向に連結されることに
より形成されている。内筒６と外筒５との間には、熱媒
体が流通可能な隙間が形成される。
【００１６】この場合、内筒６は、外筒５に対し同心円
状に設けられることが熱媒体の流通性を確保する点で好
ましい。このためアプセット部７に対応する各外筒５の
下端部には、板状のセントラライザ８が設けられてい
る。図３は、このセントラライザ８の平面図を示し、内
筒６の貫通孔８ａが中心部分に形成されている。また、
この貫通孔８ａに向かって突出するリップ部８ｂが円周
上に適宜間隔で形成されている。内筒６は、貫通孔８ａ
を貫通することにより、リップ部８ｂが内筒６の外周面
に当接するため、外筒５との同心円状に配置することが
できる。
【００１７】内筒６の下端部は、開放されることによ
り、熱媒体が下端部に流通することができる。これに加
えて、この実施の形態では、図１及び図４に示すよう
に、内筒６の下端部にサブ内筒１１が同軸的に連結され
ている。サブ内筒１１は、その側壁部分に流通孔１３が
複数開口されており、この流通孔１３からも熱媒体の流
通が可能となっている。従って、内筒６の下端部がボト
ムキャップ１２に当接しても、流通孔１３を介する熱媒
体の流通が可能となり、熱媒体の流通を確実に確保でき
るため、熱交換を円滑に行うことができる。
【００１８】外筒５及び内筒６の上部は、地盤上から抜
き出ており、この抜き出し部分がウエルヘッド部２０に
よって着脱自在に連結されている。図５は、この連結を
行うウエルヘッド部２０を示し、最上部の外筒５の上端
部分にＴ字継手２１が取付けられ、内筒６はこのＴ字継
手２１を貫通している。内筒６の貫通部分にはサブナッ
ト２２が取付けられ、このサブナット２２にフクロナッ
ト２３及びユニオンナット２４が螺合している。従っ
て、これらのナットを緩めることにより、外筒５との結
合状態を解除することができ、内筒６を外筒５から引き
出すことができる。これにより、外筒５を地盤１に挿入
したままの状態で内筒６を引き抜くことができ、内筒６
のメンテナンス、修理等を簡単に行うことができる。符
号２６は、内筒６に挿入される温度センサのケーブルで
ある。
【００１９】図１及び図５に示すように、地盤１から上
方に抜き出された外筒５の上端部分には挿通管２８が取
付けられている。挿通管２８は、Ｔ字継手２１に螺合す
ることにより、外筒５の内部と連通し、熱媒体の流通が
行われる。なお、熱媒体としては、水、不凍液等を使用
することができる。
【００２０】外筒５及び坑井２の間には、グラウト４が
充填される。この実施の形態において、グラウト４とし
ては、良熱伝導性のものが使用される。良熱伝導性のグ
ラウト４としては、セメントベントナイト溶液にシリカ
サンド等の紛体を混入し、混練したモルタル状のものを
使用することができる。このように良熱伝導性のグラウ
ト４を用いることにより、地中の熱を外筒５に効率よく
伝達することができ、地中の熱の効率的な捕捉を行うこ
とができる。
【００２１】図１及び図４において、符号９はカウンタ
ウエイトである。このカウンタウエイト９は、内筒６の
下部の外周面を包囲するように内筒６に取付けられる。
カウンタウエイト９は、ステンレス鋼管などの耐腐食性
および大重量の管体が使用されており、内筒６に作用す
る浮力を相殺することができる。このため、内筒６が外
筒５内で浮き上がることがなく、熱媒体の流通を確実に
行うことができる。また、カウンタウエイト９は、その
重量により内筒６に引張力を付与しており、このため内
筒６の変位を抑制することができる。
【００２２】図６は、ボトムキャップ２０の変形形態を
示す。この形態では、内筒６の上部にシール材３１が巻
回され、このシール材３１がシールナット３２に押さえ
つけられて固定されている。このような構造では、内筒
６の上部のシール性を簡単に確保することができる。
【００２３】以下、この実施の形態の作用を説明する。
【００２４】内筒６の下部に流通孔１３を設けているた
め、熱媒体の流路が確保され、循環が妨げられることな
く、外筒５を地中に残したまま必要に応じて何時でも内
筒６を引き抜き回収することができる。また、カウンタ
ウエイト９が内筒６の外側を取り巻くように設けられ、
内筒６に作用する浮力を相殺する。
【００２５】外筒５と内筒６の接続をスクリュウジョイ
ントによる構造とし、任意に着脱可能としたため、内筒
６を回収しメンテナンスすることが可能である。すなわ
ち、内部を循環する液体が水であれ、ポリエチレングリ
コールのような不凍液であれ、管内部の腐食による錆の
発生等の劣化現象は避けることができないとともに、錆
は循環する液体中に増加してポンプの故障の原因にもな
るため、地中熱交換器の寿命を恒久的なものとするに
は、定期的なメンテナンスが必要なことであり、この実
施の形態では、上述した構造とすることによりメンテナ
ンスが可能となっている。
【００２６】この実施の形態では、坑井２は鉛直である
必要がない。すなわち、得ようとする地中の熱源に対し
て、例えば熱源の上部に避けることができない構造物が
あるとか、鉛直に掘削できない何らかの原因があると
か、もしくは、坑井の深さを短くできるとかの障害があ
る場合、これらの障害を取り除くことができ、また、経
済的な設置の可能性も広げることができる。このこと
は、工業的には地熱発電ヘの応用が可能であり、寒冷地
に於いては、施設の暖房や、道路の凍結防止に有用とな
り、夏場には地中の冷気を地上に送ることによる冷房も
可能となり、幅広い利用価値がある。
【００２７】
【発明の効果】請求項１の発明によれば、熱媒体の円滑
な流通を確保することができ、内筒のメンテナンスも容
易となる。また、鉛直のみならず屈曲あるいは斜めの坑
井ヘの適用が可能となる。
【００２８】請求項２の発明によれば、内筒と外筒との
間に隙間を確保することができるため、熱媒体を良好に
流通させることができる。
【００２９】請求項３の発明によれば、地中の熱を効率
良く熱媒体に取り込むことができるため、効率の良い地
中熱交換器とすることができる。
【００３０】請求項４の発明によれば、内筒の浮き上が
りや変位を防止できるため、熱媒体の流通を確保でき
る。
【００３１】請求項５の発明によれば、地中より取り込
んだ熱を無駄なく地上に汲み上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による地中熱交換器の全
体を示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態による地中熱交換器の外
筒の継ぎ目部分を示す縦断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態による地中熱交換器のセ
ントラライザの平面図である。
【図４】本発明の一実施の形態による地中熱交換器のカ
ウンタウエイト部分の縦断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態による地中熱交換器の内
筒と外筒との連結部分の縦断面図である。
【図６】本発明に係る別の実施の形態による地中熱交換
器の連結部分の縦断面図である。
【図７】従来の地中熱交換器の縦断面図である。
【符号の説明】
４ グラウト ５ 外筒 ６ 内筒 ７ アプセット部 ８ セントラライザ ９ カウンタウエイト
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 000233044 株式会社日立エンジニアリングサービス 茨城県日立市幸町３丁目２番２号 (72)発明者 盛 田 耕 二 茨城県つくば市東１−１−１ 独立行政法 人産業技術総合研究所つくばセンター内 (72)発明者 金 子 豊 東京都中野区中央１丁目29番15号 鉱研工 業株式会社内 (72)発明者 遠 藤 哲 哉 東京都中野区中央１丁目29番15号 鉱研工 業株式会社内

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 地盤に掘削された坑井内に挿入され、下
    端部が封鎖された外筒と、 下端が開放されるとともに、下部の側壁部分に流体が流
    通する流通孔が設けられ、前記外筒内に隙間を有して挿
    入される内筒と、 前記坑井と外筒との間に注入されて外筒を地盤に固定す
    るグラウトと、 地盤上方に突き出た外筒の上部及び内筒の上部を着脱自
    在に連結する連結機構とを備えていることを特徴とする
    地中熱交換器。
  2. 【請求項２】 前記外筒と前記内筒との隙間を保つセン
    トラライザが、適宜間隔で設けられていることを特徴と
    する請求項１記載の地中熱交換器。
  3. 【請求項３】 シリカなどの良熱伝導性素材を含むグラ
    ウトが、前記坑井と外筒との間に注入されて、外筒が地
    盤に固定されていることを特徴とする請求項１又は請求
    項２記載の地中熱交換器。
  4. 【請求項４】 前記内筒の浮力を相殺し、かつ内筒の変
    位を防止するカウンタウエイトが前記内筒の下部に取付
    けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記
    載の地中熱交換器。
  5. 【請求項５】 前記内筒と外筒は、熱伝導性の異なった
    素材であり、内筒に比べて外筒の熱伝導特性が良好な素
    材であることを特徴とする請求項１から請求項４のいず
    れかに記載の地中熱交換器。
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