JP2009092350A - 地中熱採取用管、地中熱交換器及び地中熱利用のヒートポンプ - Google Patents

Abstract

【課題】外側配管内の熱媒ガスの流速を適正化して地中熱との熱交換を効率よく行なうことができるとともに、材料コストを低減することができる地中熱採取用管、地中熱交換器及び地中熱利用空調システムを提供する。
【解決手段】一本の内側配管２６の外周に断熱スリーブ２７を装着する。この断熱スリーブ２７の外周面に前記内側配管２６の下端部に分岐接続された三本の外側配管２８を螺旋状に巻装し、各外側配管２８の上端部を合流させて配管３２を接続する。前記内側配管２６、断熱スリーブ２７及び外側配管２８よりなる地中熱採取用管を杭井に埋設された収容筒２５の内部に収容する。前記各外側配管２８内を流れる熱媒ガスの熱と地中熱とを熱交換する。
【選択図】図１

Description

本発明は、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、給湯あるいは融雪等に要するエネルギーの節約を図ることができる地中熱利用のヒートポンプ、及びこのヒートポンプに用いられる地中熱交換器、地中熱採取用管に関する。

地中熱利用のヒートポンプは、地層や地下水等を温熱源とみなして、そこから熱エネルギーを取り出して、暖房施設や融雪施設等に温熱供給を行ったり、逆に冷熱源とみなして、そこに熱を放出して、冷房あるいは冷却施設に冷熱供給を行ったりするようになっている。このような地熱ヒートポンプの地中熱交換器として、従来、特許文献１に開示されたものが提案されている。この地中熱交換器は、地中に埋設された内側配管（往路配管）と外側配管（復路配管）とからなる循環管路内に熱媒を循環させて、地上側の熱利用施設の熱交換器に熱的に結合されるように構成されている。そして、前記循環配管は少なくとも二本以上の内側配管と、その内側配管に連通するとともに、その内側配管の数と同数又は常に少ない数の外側配管から構成され、地中に全体としてＵ字状に埋設されている。そして、前記内側配管を流下する高温又は低温の熱媒が外側配管内を通る間に地中熱と熱交換されて中温となる。この外側配管内の熱媒は、中温のまま地上側施設の熱交換器に導かれ、該熱交換器により室内の空気と熱交換され、室内の暖房又は冷房に供される。
特開２００３−２６２４３０号公報

ところが、特許文献１に記載された地中熱交換器は、内側配管の本数よりも外側配管の本数が同数又はそれよりも少ない数に設定されているので、内側配管を流れる液熱媒が膨張して熱媒ガスとなって外側配管に流入すると、流速が速められて、地中熱との熱交換が十分に行われず、熱交換効率が低下するという問題があった。

又、上記の地中熱交換器は、前記循環配管が全体としてＵ字状に埋設されているので、循環配管全体の水平方向の収容スペースが大きくなり、地中に施工する杭井の径を大きくしなければならず、杭井の内部に循環配管を埋設した後に、隙間に充填する珪砂或いは不凍液等の熱伝導性材料の量が増大し、材料コストを低減することができないという問題があった。

本発明は、上記従来の技術に存する問題点を解消して、外側配管内の熱媒ガスの流速を適正化して地中熱との熱交換を効率よく行なうことができるとともに、材料コストを低減することができる地中熱採取用管、地中熱交換器及び地中熱利用のヒートポンプを提供することにある。

上記問題点を解決するために、請求項１に記載の発明は、地中に埋設される一本の内側配管の外周面を断熱スリーブにより被覆し、前記内側配管の前記スリーブから導出された端部に複数本の外側配管を並列に分岐接続し、前記各外側配管を前記断熱スリーブに沿って螺旋状に巻回し、各外側配管の端部を一本の合流配管に接続し、前記各外側配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したことを要旨とする。

請求項２に記載の発明は、請求項１において、前記外側配管は三本設けられていることを要旨とする。
請求項３に記載の発明は、請求項２において、前記各外側配管は、断熱スリーブの外周面に取り付けられたブラケットに三箇所に設けられた係止凹部に取り外し可能に係止されていることを要旨とする。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか一項に記載の地中熱採取用管と、地中に埋設される熱伝導性を有する収容筒と、該収容筒の内部に前記地中熱採取用管を収容した状態で充填される熱伝導性材料とを含むことを特徴とすることを要旨とする。

請求項５に記載の発明は、請求項４において、前記熱伝導性材料は不凍液又は珪砂に不凍液を混合したものであることを要旨とする。
請求項６に記載の発明は、請求項４又は５に記載の地中熱交換器と、該地中熱交換器の前記内側配管及び合流配管に熱媒の循環配管を介して接続された圧縮機、膨張弁及び室内熱交換器とを備えたことを特徴とすることを要旨とする。

（作用）
この発明は、内側配管の外周に断熱スリーブが被覆され、複数本の外側配管が断熱スリーブの外周側に螺旋状に巻回されているので、内側配管と外側配管の内部を流れる熱媒相互の熱伝導が防止され熱交換効率が向上する。外側配管は内側配管に複数本分岐接続され、かつ断熱スリーブに螺旋状に巻回されているので、各外側配管内を流れるガス状の熱媒の流速が適正に保たれ、外側配管の表面積も広くなり、地中と使用負荷との間の熱の授受が効率よく行われる。

本発明によれば、外側配管内の熱媒ガスの流速を適正化して地中熱との熱交換を効率よく行なうことができる. 又、この発明は内側配管の外周に被覆した断熱スリーブの外周に外側配管を螺旋状に巻回するので、断熱スリーブの径方向に関する内側配管及び外側配管の収容スペースを小さくすることができ、収容筒及び地中の杭井の径を小さくして、熱伝導性材料の充填量を低減でき、材料コストを低減することができる。

以下、本発明を具体化した地中熱利用の冷暖房ヒートポンプの一実施形態を図面に従って説明する。
最初に、図４に基づいて冷暖房ヒートポンプの全体構成について説明する。家屋の室外に設置された室外機ケース１１内には、低温・低圧の例えばＲ４１０等の熱媒ガスを吸入して圧縮し、高温・高圧の熱媒ガスを吐出するようにした圧縮機１２が収容されている。この圧縮機１２の吐出口には吐出配管１３及び四方弁１４を介して室内側に配設された室内熱交換器１５が接続されている。該室内熱交換器１５には熱媒配管１６を介して室外機ケース１１内に配設された膨張弁１７が接続されている。該膨張弁１７は、熱媒配管１８ａ及び継手１９を介して地中２０内に施工された杭井２１内の地中熱交換器２２に接続されている。該地中熱交換器２２に接続された後記配管３２は継手２３、熱媒配管１８ｂ、前記四方弁１４及び吸入配管２４を介して前記圧縮機１２の吸入口に接続されている。

次に、前記地中熱交換器２２の構成について説明する。
図４に示すように、前記杭井２１には鋼製の縦長有底円筒状をなす収容筒２５が埋設されている。該収容筒２５の内部にはその中心軸線上に位置するように銅管よりなる内側配管２６が直線状に収容され、該内側配管２６の外周部には例えば発泡ポリエチレン又は発泡スチロール等の断熱材よりなる断熱スリーブ２７が被覆されている。図１に示すように、前記断熱スリーブ２７の上端開口から導出された内側配管２６は、図４に示すように前記継手１９により前記配管１８ａに接続されている。前記内側配管２６の断熱スリーブ２７の下端部から導出された端末には三本の熱媒ガスの流路となる銅管製の複数本の外側配管２８の各端部が分岐接続され、各外側配管２８はそれぞれ上方に向かって螺旋状に前記断熱スリーブ２７の外周面から所定間隔隔てた位置に巻装されている。

前記各外側配管２８は前記断熱スリーブ２７に対しそれぞれブラケット２９によって螺旋状に巻装された状態が保持されるようになっている。各ブラケット２９は図２に示すように弾性変形可能な帯状鉄板よりなる平面視ほぼ三角形状の本体３０と、該本体３０の三つの頂部に溶接により取り付けられた切欠き円筒状の係止凹部としての係止フック３１とによって構成されている。そして、前記本体３０をその開口部３０ａを拡大するように弾性変形させて、該開口部３０ａから本体３０の内部に断熱スリーブ２７を収容し、図１に示すように本体３０の弾性復元力により断熱スリーブ２７の外周面に本体３０を抱着する。前記断熱スリーブ２７の外周面に対し複数個のブラケット２９の本体３０を抱着した後、各本体３０の係止フック３１に対し前記各外側配管２８を係止フック３１を弾性変形させて拡開させ、外側配管２８を係止フック３１に取り外し可能に係止する（図３参照）。

前記内側配管２６の上端部は前記継手１９に接続されている。図１に示すように、複数本の前記外側配管２８の上端部は一本の配管３２に合流され、該配管３２の先端部は前記継手２３に接続されている。

前記収容筒２５の内部には熱伝導性材料として珪砂３３が充填され、不凍液３４として、例えばポリプレングリコールが前記珪砂３３に混在（珪砂３３が７０容積％、不凍液３４が３０容積％）するように貯留されている。熱伝導性材料として不凍液３４のみを用いてもよい。図４に示すように、前記収容筒２５の上端開口は、蓋３５によって閉鎖されている。該蓋３５には前記内側配管２６及び外側配管２８を貫通する孔が形成されている。

この実施形態においては、図１に示す継手１９、継手２３、内側配管２６、断熱スリーブ２７、外側配管２８、ブラケット２９及び配管３２等により地中熱採取用管を構成している。又、この地中熱採取用管と、該地中熱採取用管を収容する収容筒２５と、収容筒２５内に充填される熱伝導材料とにより地中熱交換器を構成している。

さらに、この実施形態では、前記内側配管２６を銅製とし、その外径を例えば３ｍｍ〜５ｍｍ、該配管２６の肉厚を０．８ｍｍ〜１．０ｍｍとするとともに、前記各外側配管２８を同じく銅製とし、それらの外径を４ｍｍ〜７ｍｍ、管の肉厚を０．８ｍｍ〜１．０ｍｍに設定している。又、断熱スリーブ２７の外径を１５ｍｍ〜２５ｍｍ、収容筒２５の外径を５０ｍｍ〜１３０ｍｍ、収容筒２５の長さを８ｍ〜５０ｍとしている。

次に、前記のように構成された地中熱利用のヒートポンプの動作について説明する。
ヒートポンプの暖房運転状態においては、図４の実線で示すように、圧縮機１２によって加圧された高温・高圧の熱媒ガスは室内熱交換器１５によって冷却され、室内の空気が暖められて暖房に用いられる。その後、室内熱交換器１５内の熱媒ガスは冷却されて熱媒液となって膨張弁１７を通り、熱媒配管１８ａ及び継手１９を通して地中熱交換器２２の内側配管２６に供給される。そして、熱媒液は内側配管２６によって地中深部へと流れ、内側配管２６の下端部で三本の外側配管２８に分流される。各外側配管２８に分流された熱媒液は地中の熱と熱交換され、熱媒液はガス化されて、各外側配管２８の内部を上方に流動し、各外側配管２８の上端部で配管３２に合流し、該配管３２、継手２３、熱媒配管１８ｂ、四方弁１４及び吸入配管２４を通して圧縮機１２に戻る。

一方、四方弁１４が切り換えられてヒートポンプが冷房運転状態においては、図４の破線で示すように、圧縮機１２によって吐出された高温・高圧の熱媒ガスは、吐出配管１３、四方弁１４、熱媒配管１８ｂ、継手２３及び配管３２を通って、各外側配管２８に分流され、各外側配管２８を流れる間に、地中熱と熱交換されて凝縮され、凝縮された熱媒ガスは、各外側配管２８の下端部で合流され、一本の内側配管２６に導かれ、内側配管２６内を上昇し、継手１９及び熱媒配管１８ａを通して膨張弁１７に導かれる。この膨張弁１７によって、凝縮された熱媒液が減圧・膨張されてガス化され冷却される。この熱媒ガスは前記室内熱交換器１５に流入して外部から熱を吸収し、室内の冷房に供される。その後、配管１６、四方弁１４及び吸入配管２４を介して圧縮機１２に戻る。

上記実施形態の地中熱利用のヒートポンプによれば、以下のような効果を得ることができる。
（１）上記実施形態では、前記内側配管２６の外周面に断熱スリーブ２７に装着し、内側配管２６の下端部に分岐接続された外側配管２８を前記断熱スリーブ２７の外周側に所定の間隔をおいて螺旋状に巻装した。このため、内側配管２６内を流れる熱媒液と各外側配管２８内を流れる熱媒ガスの流速を適正化し、各外側配管２８によって熱交換面積を広くして、熱交換効率を向上することができる。

（２）上記実施形態では、内側配管２６の外周部に各外側配管２８を巻装したので、内側配管２６と外側配管２８を全体としてＵ字状に埋設する構造と比較して、内側配管２６と外側配管２８の水平方向の収容スペースを小さくしてコンパクト化することができ、前記収容筒２５の直径寸法を小さくして、該収容筒２５及び地中の杭井２１の径を小さくでき、杭井２１及び収容筒２５の施工作業を容易に行うことができる。又、珪砂３３及び不凍液３４等の熱伝導性材料の充填量を低減でき、材料コストを低減することができる。

（３）上記実施形態では、前記内側配管２６の外周に断熱スリーブ２７を装着したので、内側配管２６内を流れる熱媒液と外側配管２８を流れる熱媒ガスとの熱交換を防止して、地中熱交換器２２の熱交換効率を向上することができる。

（４）上記実施形態では、前記断熱スリーブ２７の外周に複数のブラケット２９を取り付けるとともに、各ブラケット２９の係止フック３１に前記外側配管２８を係止するようにした。このため、各外側配管２８の装着状態を適正に保持することができるとともに、断熱スリーブ２７の外周面から各外側配管２８を浮上した状態に保持することができ、内側配管２６と外側配管２８の間の断熱機能を確保することができる。特に、収容筒２５の上部においては、冷房運転時に各外側配管２８の上部に高温の熱媒ガスが流入し、内側配管２６の上端部には冷却された液熱媒が上方に通過するので、熱媒の温度差が大きくなり熱交換が起き易いが、これは前記断熱スリーブ２７によって抑制される。

（５）上記実施形態では、内側配管２６及び外側配管２８を直径寸法の比較的小さい例えば３ｍｍ〜５ｍｍの銅管を使用したので、前記収容筒２５内に内側配管２６及び外側配管２８を収容する際に塑性変形を許容することができ、収容作業を容易に行うことができる。

（６）上記実施形態では、内側配管２６の外径を３ｍｍ〜５ｍｍ、肉厚を０．８ｍｍ〜１．０ｍｍに設定したので、ピートポンプの冷房運転状態において、内側配管２６内を上方に流動する冷媒液の流速を適正（２〜３ｍ／ｓｅｃ）にすることができる。このため、内側配管２６内を流れる冷媒液により圧縮機１２を潤滑するオイルも冷媒液とともに上方に移動されるので、内側配管２６内にオイルが残留することはなく、圧縮機１２の潤滑が適正に行われる。

なお、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・前記実施形態では、３本の外側配管２８を使用したが、これを２本又は４本以上にしてもよい。

・前記実施形態では、ブラケット２９を使用して断熱スリーブ２７の外周面に各外側配管２８を螺旋状に巻着するようにしたが、各外側配管２８を断熱スリーブ２７の外周面に直接巻着するようにしてもよい。この場合には断熱スリーブ２７の直径寸法を大きく設定することが望ましい。

・前記実施形態では、地中熱交換器２２を冷暖房ヒートポンプに用いたが、冷暖房・給湯ヒートポンプ、給湯用のヒートポンプ、融雪用のヒートポンプ、冷房用ヒートポンプ、あるいは暖房用ヒートポンプ等に用いてもよい。

この発明を具体化した地中熱利用のヒートポンプに用いられる地中熱交換器を示す斜視図。 ブラケット単体を示す斜視図。 地中熱交換器の施工状態を示す横断面図。 地中熱利用のヒートポンプの全体構成を示す略体回路図。

符号の説明

１２…圧縮機、１５…室内熱交換器、１７…膨張弁、２０…地中、２２…地中熱交換器、２５…収容筒、２６…内側配管、２７…断熱スリーブ、２８…外側配管、２９…ブラケット、３３…珪砂、３４…不凍液。

Claims (6)

1. 地中に埋設される一本の内側配管の外周面を断熱スリーブにより被覆し、前記内側配管の前記スリーブから導出された端部に複数本の外側配管を並列に分岐接続し、前記各外側配管を前記断熱スリーブに沿って螺旋状に巻回し、各外側配管の端部を一本の合流配管に接続し、前記各外側配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したことを特徴とする地中熱採取用管。
2. 請求項１において、前記外側配管は三本設けられていることを特徴とする地中熱採取用管。
3. 請求項２において、前記各外側配管は、断熱スリーブの外周面に取り付けられたブラケットに三箇所に設けられた係止凹部に取り外し可能に係止されていることを特徴とする地中熱採取用管。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の地中熱採取用管と、地中に埋設される熱伝導性を有する収容筒と、該収容筒の内部に前記地中熱採取用管を収容した状態で充填される熱伝導性材料とを含むことを特徴とする地中熱交換器。
5. 請求項４において、前記熱伝導性材料は不凍液又は珪砂に不凍液を混合したものであることを特徴とする地中熱交換器。
6. 請求項４又は５に記載の地中熱交換器と、該地中熱交換器の前記内側配管及び合流配管に熱媒の循環配管を介して接続された圧縮機、膨張弁及び室内熱交換器とを備えたことを特徴とする地中熱利用のヒートポンプ。

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