JP2005188865A - 地熱利用鋼管杭 - Google Patents

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正宏 林
Kazuomi Ichikawa
和臣 市川
Toshio Shinohara
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Abstract

【課題】 地熱交換器を構成する熱交換用パイプをあらかじめ杭にセットすることができ、翼付き鋼管杭の杭頭部を拡径することにより、水平力と鉛直力のバランスがとれた構造とすると共に、貫入性能もよいねじ込み式の地熱利用鋼管杭を提供する。
【解決手段】 先端部又はその近傍に翼6が取付けられた下杭3と、この下杭3より大径で接合部材5を介して下杭3と一体に接合された上杭4とからなり、回転力を与えることにより地中に埋設される拡頭式のねじ込み式鋼管杭2を有し、上杭4内に熱交換用パイプ10を設置した。
【選択図】図1

Description

本発明は、例えば、構造物の基礎杭である鋼管杭を地熱交換器として利用した効率のよいねじ込み式の地熱利用鋼管杭に関するものである。
例えば、構造物の基礎杭を地熱交換器として利用することは従来から提案されており、海外においては多くの実績を有している。地中の温度は年間を通して安定しているため、夏には冷熱源として、また冬は温熱源として利用することが可能である。
この種の技術として、二重の管からなる縦型チューブの外管が鋼管からなり、この鋼管が縦向きで回転圧入工法により地中に打ち込まれて設置される地熱利用空調用の地中埋設縦型チューブがある。
そして、この縦型チューブが杭としての機能と管内に流れる空気が熱交換をする働きとを有するので、埋め込み工事のコストを抑えることができるとしている(例えば、特許文献1参照)。
また、先端が開口した土木建設用の管状杭を、地上から地中に進行させて設置施工したときに、その杭の内部に生じる空洞に熱媒を器内通過させる対地熱交換器を杭上端部から挿入して配置し、その後、その杭の内部に固形及び固形性の充填剤を充填するようにした対地熱交換設備の製造方法が提案されている。
この方法によれば、対地熱交換器を地中に設置するための専用縦坑の掘削が不要になり、従来に比べて対地熱交換設備の設置コストを低減できるとしている(例えば、特許文献2参照)。
さらに、回転圧入鋼管杭を地中に回転圧入し、この回転圧入鋼管杭の先端又は途中に底蓋を設けて密封することにより貯水可能とし、回転圧入鋼管杭の内部(水槽)に注水配管、取水配管を設置するようにした回転圧入杭を用いた地中埋設温度成層型蓄熱水槽が提案されている。
この水槽は、回転圧入鋼管杭を回転圧入することにより地中に埋設できるため、掘削の必要がなく、施工コストが安価となり、基礎杭としても高い支持力が得られるとしている(例えば、特許文献3参照)。
特開2003−35455号公報 特開2003−148079号公報 特開2003−247792号公報
特許文献1と3は、地熱空調用の縦型チューブ又は注水配管及び取水配管を杭施工と同時に設置し、施工後は基礎杭として利用することができるが、設計時の水平力が大きい場合などでは大径の直杭を使用することになり、施工が困難となるという問題がある。また、反対に小径の杭を用いる場合は、縦型チューブあるいは注水配管・給水配管を管内に収納することが困難となる。
また、特許文献2の管状杭は、先端開口部が開口されているのでほとんどの地盤では管内に土砂が入り込むため、その処理が面倒である。また、対地熱交換器は杭施工後に設置しなければならないので、小径の管状杭の場合は設置が困難である。さらに、空気を熱交換媒体としているが、水などに比べると比熱が低いため、熱媒体としての効率が悪い。
本発明は、上記の課題を解決するためになされたもので、地熱交換器を構成する熱交換用パイプをあらかじめ杭にセットすることができ、翼付き鋼管杭の杭頭部を拡径することにより、水平力と鉛直力のバランスがとれた構造とすると共に、貫入性能もよいねじ込み式の地熱利用鋼管杭を提供することを目的としたものである。
本発明に係る地熱利用鋼管杭は、先端部又はその近傍に翼が取付けられた下杭と、該下杭より大径で接合部材を介して前記下杭と一体に接合された上杭とからなり、回転力を与えることにより地中に埋設される拡頭式のねじ込み式鋼管杭を有し、前記上杭内に熱交換用パイプを設置したものである。
上記の接合部材を、上杭とほぼ同径の円形鋼板で形成した。
また、上記の接合部材を、翼とほぼ同じ形状で翼より大径の接合翼で形成した。
また、本発明に係る地熱利用鋼管杭は、先端部又はその近傍に翼が取付けられた下杭と、該下杭より大径で接合部材を介して前記下杭と一体に接合された上杭とからなり、回転力を与えることにより地中に埋設される拡頭式のねじ込み式鋼管杭を有し、前記上杭及び下杭内に熱交換用パイプを設置したものである。
上記の接合部材を、上杭とほぼ同径で中心部近傍に開口部を有する円形鋼板で形成した。
また、上記の接合部材を、テーパー管で形成した。
本発明に係る地熱利用鋼管杭は、拡径された上杭内、又は上杭と下杭内に熱交換用パイプを設置するようにしたので、大きな空間を利用できるため設置作業が容易で、熱交換効率を高めることができる。
また、あらかじめ工場等において鋼管杭内に熱交換用パイプを設置できるので、施工現場における手間を省くことができ、コストを低減できる。
[実施の形態1]
図1は本発明の実施の形態1に係る地熱利用鋼管杭の模式的断面図及び平面図である。
図において、2はねじ込み式鋼管杭(以下、鋼管杭という)で、下部鋼管3(以下、下杭という)、この下杭3より大径で後述の翼6より小径の上部鋼管4(以下、上杭といい、拡頭部と云うこともある)、及び外径が上杭4の外径とほぼ等しく、下杭3と上杭4を接合する接合部材5からなり、下杭3の先端部には翼6が取付けられている。
10は例えば鋼材からなり、上杭4内に配設されて内部に熱媒体(例えば、水などの熱効率のよい流体)が充填されて流動する熱交換用パイプで、これらにより地熱利用鋼管杭1が構成されている。
下杭3は例えば通常の鋼管杭用の鋼管(一例として外径600mm以下)からなり、図には、先端部をほぼレ字状に切除して2つの取付部を設け、下杭3の外径より大径(例えば、下杭3の外径の2倍程度)の円形鋼板を2分割した翼板を、取付部に下杭3の先端開口部を覆って溶接により傾斜して取付けた場合を示してあるが、例えば、下杭3の先端部近傍の外周面に、ドーナツ状の鋼板を分割した翼板あるいは螺旋状板を取付け、下杭3の先端開口部はそのまま開口し、又は底板を取付けて閉塞するなど、本発明においては、翼6の形状、構造、取付位置さらには下杭3の先端開口部の開閉の有無等について限定するものではなく、必要とする施工性、鉛直支持力特性を満足できるものであればよい。また、下杭3の外周面に複数段の翼を設けてもよい。
上杭4は前述のように下杭3の外径より大径で、翼6の外径より小径の鋼管からなり、この上杭4の外径とほぼ等しい円形鋼板からなる接合部材5を介して、溶接により下杭3と一体に接合される。なお、この接合部材5は、下杭3の先端開口部が閉塞されているときは、その位置で下杭3と上杭4の空間部が閉塞されるため、上杭4の下端部は完全に閉塞されなくてもよいが、下杭3の先端開口部が開口している場合は、下杭3と上杭4を空間的に分離するために(上杭4内に土砂が侵入しないため)、上杭4の下端部を確実に閉塞することが望ましい。
ところで、基礎杭は、通常、杭頭部付近に水平力による大きな曲げモーメントが作用する。この曲げモーメントは、杭径や外力によって異なるが、通常の杭はある深度(例えば、10m)より下方では非常に小さくなるため、杭体に作用する力としては鉛直力のみを考慮すればよい。このようなことから、熱交換用パイプ10の少なくとも一部を曲げモーメントによる作用が無視できる区間に設置することが好ましいので、本発明に係る地熱利用鋼管杭1を基礎杭として使用する場合は、上杭4の長さを、上記曲げモーメントによる作用が無視できない区間以上の長さ(この場合は10m以上)とすることが望ましい。
熱交換用パイプ10は例えば鋼材からなり、折り返して(図にはU字状に折曲げた場合が示してある)上杭4内に配設され、両端部が杭頭部から取出されてそれぞれ接続具11a,11bが取付けられる。なお、熱交換用パイプ10は、上杭4の内周面に沿って(当接して)設置してもよい。
一般に、地中温度は地表より約6m以上深ければほぼ一定であるとされており、地表から深さ約6mまでの区間は熱交換効率はあまり良くないと考えられる。そこで、熱交換用パイプ10の相当部分を地表より約6m以上深い区間に設置することが望ましい。
上記のように構成した地熱利用鋼管杭1は、その杭頭部が地上に設けた施工機械に連結され、回転駆動されて翼6により杭先端部近傍の地盤を掘削軟化しながら、翼6の木ねじ作用により地中に貫入され、所定の深さに埋設される。施工にあたり、上杭4の径は翼6の径より小さいので、拡頭したことによる回転トルクの上昇を小さくすることができ、施工が容易である。
この場合、地熱利用鋼管杭1が長尺の場合あるいは地盤の状態などによっては、先ず、施工機械により下杭3をある深さ(例えば、杭頭部が地上に位置する状態)まで貫入する。そして、その杭頭部に接合部材5を溶接により接合し、その上面に上杭4の下端部を溶接により接合して両者を一体に接続し、上杭4の杭頭部に施工機械を連結して貫入し、所定の深さに埋設したのち、上杭4内に熱交換用パイプ10を設置するようにしてもよい。
地中に埋設された鋼管杭2の上杭4内に設けた熱交換用パイプ10内には熱媒体が充填され、この熱媒体は熱交換用パイプ10内を一端から他端に流動(循環)し、その間に地盤から上杭4へ、上杭4から熱交換用パイプ10内の熱媒体へと地中熱と熱交換される。この場合、熱交換パイプ10を、図のように上杭4の内周面から離れた位置に設置した場合は、地熱との熱交換効率を高めるために、上杭4内に熱伝導率の高い流体や充填物の如き熱媒体を充填してもよい。このとき、上杭4の下端部を閉塞しておくことは勿論である。なお、熱交換用パイプ10を上杭4の内周面に沿って設置したときは、上杭4内は中空のままでもよい。
本実施の形態に係る地熱利用鋼管杭1は、先端支持力は先端部に取付けた大きな翼6で、水平力は拡頭部の大きな断面積で抵抗するようにしたので、支持力に関してバランスのとれた構造とすることができる。また、ねじ込み式鋼管杭2の拡頭部4内に熱交換用パイプ10を設置したので、大きな空間を利用することができ、このため熱交換用パイプ10の施工現場での設置作業が容易であるばかりでなく、熱交換効率を高めることができる。
また、熱交換用パイプ10は、あらかじめ工場等でねじ込み式鋼管杭2内に設置できるので、施工時の手間を省くことができ、コストを低減することができる。
[実施の形態2]
図2は本発明の実施の形態2に係る地熱利用鋼管杭の模式的断面図である。なお、実施の形態1と同じ部分はこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、下杭3と上杭4を接合する接合部材5を、下杭3の先端部又はその近傍に設けた翼6及び上杭4より大径の翼(以下、接合翼7という)によって構成したものである。
接合翼7による下杭3と上杭4との接合にあたっては、例えば、下杭3の上端部に、先端部に設けたレ字状の取付部と同様の取付部を設け、翼6より大径の円形鋼板を翼6の場合と同様に2分割した翼板を、翼6と同じ傾き、同じピッチ(杭体の1回転あたりの段差)でこの取付部に溶接接合する。また、上杭4の下端部に下杭3の上端部に設けた取付部に対応して取付部を設け、この取付部を接合翼7の上面に当接して溶接接合し、下杭3と上杭4を接合翼7を介して一体に構成する。
本実施の形態の施工方法、作用、効果は、実施の形態1の場合とほぼ同様であるが、施工にあたっては、鋼管杭2は翼6により地盤を掘削軟化して推進すると共に、上杭4より大径の接合翼7により外周の土砂を掘削軟化して推進するので、下杭3より大径の上杭4を設けた場合でも推進性がよくなり、施工能率が向上する。これにより、鋼管杭2の周面摩擦力が増加し、さらに上杭4の大きな外径による剛性と、周面地盤を圧縮したことによる水平抵抗力の増加とを実現することができ、また、翼6と接合翼7とにより大きな支持力を得ることができる。
また、上杭4をより大径にすることができるので、内部へ熱交換用パイプ10を設置する場合の作業がさらに容易になる。
[実施の形態3]
図3は本発明の実施の形態3に係る地熱利用鋼管杭の上杭の模式的断面図である。なお、実施の形態1と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
実施の形態1,2では、ねじ込み式鋼管杭2の上杭4内に1本の熱交換用パイプ10を折り返して設置した場合を示したが、本実施の形態は複数本の熱交換用パイプ10を上杭4内に設置したものである。
例えば、ほぼ中間部をU字状に折曲げた複数本(図には、3本の場合が示してある)の熱交換用パイプ10a,10b,10cを上杭4内にほぼ等間隔に設置し、各熱交換用パイプ10a,10b,10cを直列に接続して、その両端部を杭頭部から取出すようにしたものである。
図3(a)は熱交換用パイプ10a,10b,10cを上杭4の内周面から離れた位置に設置した状態を示すもので、この場合は、上杭4内に熱伝導の良い液体や充填物の熱媒体を充填することが望ましい。また、図3(b)は熱交換用パイプ10a,10b,10cを上杭4の内周面に沿って(当接して)設置したもので、この場合は上杭4内は中空のままでもよい。
本実施の形態は、熱交換用パイプ10の全長を長くできるので、熱交換効率をより高めることができる。
[実施の形態4]
図4は本発明の実施の形態4に係る地熱利用鋼管杭の模式的断面図である。なお、実施の形態1と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
本実施の形態は、実施の形態1の上杭4内に、その内周面に沿って熱交換用パイプ10を複数段の螺旋状(コイル状)に巻回し当接させて設置し、その両端部を杭頭部から取出すようにしたものである。
本実施の形態によれば、熱交換用パイプ10の上杭4との接触面積を大きくできるので、熱交換効率をさらに高めることができる。
なお、下杭3と上杭4との接合部材5を円形鋼板で形成した場合を示したが、接合部材5には実施の形態2で説明した接合翼7を用いてもよい。また、熱交換用パイプ10を、その外径が上杭4の内径より小さい螺旋状(コイル状)に巻回し、これを上杭4内に設置してもよい。この場合は、熱交換用パイプ10が上杭4の内周面に当接しないので、上杭4内に熱媒体を充填することが望ましい。
[実施の形態5]
図5は本発明の実施の形態5に係る地熱利用鋼管杭の模式的断面図である。なお、実施の形態1と同じ部分にはこれと同じ符号を付し、説明を省略する。
実施の形態1〜4では、熱交換用パイプ10をいずれも拡頭した鋼管杭2の上杭4内に設置した場合を示したが、本実施の形態は、熱交換用パイプ10を下杭3と上杭4の両者の内部に設置したものである。
本実施の形態に係る鋼管杭2は、実施の形態1の鋼管杭2とほぼ同様の構造のものであるが、円形鋼板からなり下杭3と上杭4を接合する接合部材5の中心部近傍に、熱交換用パイプ10を通す開口部5aが設けられている。この開口部5aは熱交換用パイプ10が通る範囲でなるべく小さい方がよい。接合部材5は、上杭4に作用する鉛直力を下杭3に伝達し、また、外力による曲げモーメントが作用しても破壊しないようにしなければならない。このため、開口部5aをあまり大きくすると、接合部材5の機能を満足するためには板厚を非常に大きくしなければならないので、不経済である。この開口部5aの大きさは、下杭3の断面積の60%程度又はそれ以下にすることが望ましい。
熱交換用パイプ10は、一端を上杭4内に挿入して接合部材5の開口部5aを通し、下杭3内に挿入して先端部付近で折り返したのち再び接合部材5の開口部5aを通し、上杭4内に導いて杭頭部から外部に取出して設置したものである。なお、下杭3内にも熱交換用パイプ10が設置されるので、下杭3の先端開口部は閉塞しておくことが必要である。
熱交換用パイプ10の鋼管杭2内への設置には種々な方法が考えられるが、例えば、熱交換用パイプ10を、あらかじめ工場等で図5(a)のように、下部10d(下杭3内に設置される部分)は狭い間隔で、上部10e(上杭4内に設置される部分)は広い間隔で曲げ加工する。この場合、下部10dの間隔は、接合部材5の開口部5a(前述のように、その大きさは下杭4の断面積の60%程度)を通過しうる範囲とすることが必要である。
そして、曲げ加工した熱交換用パイプ10を、下部10dから上杭4内に挿入して接合部材5の開口部5aを通し、所定の位置まで挿入する。これにより、下部10dは下杭3内に、上部10eは上杭4内に位置し、設置される。なお、上部10eの熱交換用パイプ10は、上杭4の内周面に当接するようにしてもよい。
また、熱交換パイプ10を、下部10d(下杭3内に設置される部分)と上部10e(上杭4内に設置される部分)の2つに分割し、あらかじめ工場等で図5(b)のように、下部10dは狭い間隔で、上部10eは広い間隔で曲げ加工し、下杭3内と上杭4内にそれぞれ設置する。このとき、熱交換用パイプ10の下部10dの上端部と上部10eの下端部(接続部)の間隔は、接合部材5の開口部5a(前述のように、その大きさは下杭4の断面積の60%程度)を通過しうる範囲とすることが必要である。
そして、熱交換用パイプ10の下部10dが設置された下杭3を施工機械によりある深さ(例えば、杭頭が地上に位置する状態)まで貫入し、ついで、熱交換用パイプ10の上部10eが設置された上杭4を接合部材5を介して下杭3に接続する。このとき、熱交換用パイプ10の下部10dの上端部を接合部材5の開口部5aから突出させておき、熱交換用パイプ10の上部10eの下端部と接続する。なお、上部10eは鋼管杭2の埋設後に上杭4内に設置してもよい。
この場合、熱交換用パイプ10の下部10dの上端部が挿通される貫通孔を有し、接合部材5の開口部5aに嵌合する大きさの鋼板を設け、この貫通孔に下部10dの上端部を挿通して固定しておき、接合部材5を下杭3に接合する際にこの鋼板を開口部5aに嵌入し、必要に応じて溶接等により接合部材5に固定するようにしてもよい。
本例においても、熱交換用パイプ10を下杭3若しくは上杭4又は下杭3と上杭4の内周面に当接するようにしてもよい。
本実施の形態の施工方法、作用、効果は実施の形態1の場合とほぼ同様であるが、熱交換用パイプ10を下杭3と上杭4の両者内に設置したので、放熱と吸熱の範囲が大きくなり、より効率のよい熱交換を行うことができる。
図6は本実施の形態の他の例の模式的断面図である。
本例は、下杭3とこれにより大径の上杭4とを接合部材であるテーパー管8で接合して鋼管杭2を構成し、上杭4、テーパー管8及び下杭3内に下端部で折返えした熱交換用パイプ10を設置したものである。
本例の施工方法、作用、効果は図5の例の場合とほぼ同様であるが、下杭3とこれより大径の上杭4とを、徐々に拡径するテーパー管8で接合したので、施工にあたり鋼管杭2をスムーズに貫入することができる。
また、下杭3、テーパー管8及び上杭4内への熱交換用パイプ10の設置も容易で、必要に応じて熱交換用パイプ10を鋼管杭2の内周面に当接させることができる。なお、本実施の形態においても実施の形態3のように複数本の熱交換用パイプ10を直列に接続して下杭3と上杭4内に設置してもよく、あるいは実施の形態4のように熱交換用パイプ10を螺旋状に巻回して下杭3と上杭4内に設置してもよい。
以上本発明の実施の形態について説明したが、本発明はこれに限定するものではなく、要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。また、各実施の形態を適宜組合わせて実施してもよい。なお、本発明においては、熱交換用パイプ10はあらかじめ工場等において鋼管杭2内に設置できるので、施工時の手間を省くことができ、コストを低減することができると述べた(実施の形態1の末尾)が、上杭4(拡径部)の空間部が大きいので、状況によっては鋼管杭2の施工後に鋼管杭2内に熱交換用パイプ10を設置してもよい。
次に、本発明の実施例につき、実施の形態1に係る地熱利用鋼管杭を参照して説明する。
ねじ込み式鋼管杭2を構成する下部鋼管3は、外径500mm、板厚9mm、長さ15mで、先端部にほぼレ字状の2つの取付部を設けて、この取付部に、外径1000mm、板厚40mmの円形鋼板を2分割した翼板を傾斜して取付けて、翼6を設けたものである。
また、上部鋼管4は、外径800mm、板厚12mm、長さ15mで、外径800mm、板厚50mmの円形鋼板からなる接合部材5を介して下部鋼管3と上部鋼管4を溶接接合し、一体に構成した。
熱交換用パイプ10は、外径40mm、肉厚4mmの鋼製パイプからなり、ほぼ中央部をU字状に折曲げて上部鋼管4内に、下端部が接合部材5のやや上方に達するまで挿入し、両端部を外部に取出して仮接続した。なお、熱交換用パイプ10は上部鋼管4の内周面に当接していないので、上部鋼管4内に熱媒体としての水を充填した(水の深さ15m)。
この状態で、地熱利用鋼管杭1の杭頭部を地上に設けた施工機械に連結し、杭体を回転駆動して翼6の木ねじ作用により地中に貫入し、所定の深さに達したときは施工機械を取外した。このとき、下部鋼管3の先端部近傍の土砂は翼6により掘削軟化され、下部鋼管3の側方に移動して圧縮される。
次に、熱交換用パイプ10の両端部をポンプ(図示せず)を介して接続し、熱交換用パイプ10内に熱媒体である水を充填した。そして、ポンプにより熱交換パイプ10内の水を循環させたところ、当初25℃の水が20分後には15℃となり、以後この水温が安定して維持された。
本発明に係る地熱利用鋼管杭1は、一般的な地熱交換システムとしての熱交換用パイプ10を地中に設置する場合を実施することができ、また、建造物の基礎杭を兼ねて地熱交換システムに実施することもできる。
本発明の実施の形態1に係る地熱利用鋼管杭の模式的断面図及び平面図である。 本発明の実施の形態2に係る地熱利用鋼管杭の模式図である。 本発明の実施の形態3に係る地熱利用鋼管杭の上杭の模式的断面図である。 本発明の実施の形態4に係る地熱利用鋼管杭の模式的断面図である。 本発明の実施の形態5に係る地熱利用鋼管杭の模式的断面図である。 実施の形態5の他の例の模式的断面図である。
符号の説明
1 地熱利用鋼管杭、2 ねじ込み式鋼管杭、3 下杭、4 上杭、5 接合部材、5a 開口部、6翼、7 接合翼、8 テーパー管、10 熱交換用パイプ。

Claims (6)

  1. 先端部又はその近傍に翼が取付けられた下杭と、該下杭より大径で接合部材を介して前記下杭と一体に接合された上杭とからなり、回転力を与えることにより地中に埋設される拡頭式のねじ込み式鋼管杭を有し、前記上杭内に熱交換用パイプを設置したことを特徴とする地熱利用鋼管杭。
  2. 前記接合部材を、前記上杭とほぼ同径の円形鋼板で形成したことを特徴とする請求項1記載の地熱利用鋼管杭。
  3. 前記接合部材を、前記翼とほぼ同じ形状で該翼より大径の接合翼で形成したことを特徴とする請求項1記載の地熱利用鋼管杭。
  4. 先端部又はその近傍に翼が取付けられた下杭と、該下杭より大径で接合部材を介して前記下杭と一体に接合された上杭とからなり、回転力を与えることにより地中に埋設される拡頭式のねじ込み式鋼管杭を有し、前記上杭及び下杭内に熱交換用パイプを設置したことを特徴とする地熱利用鋼管杭。
  5. 前記接合部材を、前記上杭とほぼ同径で中心部近傍に開口部を有する円形鋼板で形成したことを特徴とする請求項4記載の地熱利用鋼管杭。
  6. 前記接合部材を、テーパー管で形成したことを特徴とする請求項4記載の地熱利用鋼管杭。
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Cited By (8)

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