JP2011512467A - 超音波ドリル及び除去又は回収可能なドリルビットを使用した地熱交換器、エネルギー杭、コンクリート杭、マイクロパイル、アンカーの設置方法及びシステム - Google Patents
超音波ドリル及び除去又は回収可能なドリルビットを使用した地熱交換器、エネルギー杭、コンクリート杭、マイクロパイル、アンカーの設置方法及びシステム Download PDFInfo
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Abstract
ケーシング穴を削孔しマイクロパイルを設置する方法を提供する。超音波削孔装置を、所望の位置に配置する。超音波削孔装置には、ドリルストリングを地中に回転及び振動させる回転振動装置を含む。回収可能なドリルビットを、ドリルストリングに動作可能に連結する。ケーシング穴を、ドリルストリングを地中に回転及び振動させて、所望の深さに削孔する。ケーシング穴を所望の深さに削孔した後に、回収可能なドリルビットを、ケーシング穴から回収する。マイクロパイルを、回収可能なドリルビットを回収した後に、ケーシング穴内に降下させる。グラウト材を、ドリルストリングを地中から取り出す前又は後に、ケーシング穴内に注入してもよい。別の実施例では、除去可能なドリルビットを回収可能なドリルビットの代わりに使用してもよい。
【選択図】図１
【選択図】図１
Description
本発明は、地熱交換システム及び地下熱エネルギー貯蔵システムに関し、特に、超音波ドリルや除去可能又は回収可能なドリルビットを用いて、地熱伝達装置及びそれに関連する地下支柱構造体を設置する方法に関する。
地熱交換システム及び地下熱エネルギー貯蔵システムは、環境に優しく、エネルギー効率の良い冷暖房システムである。そのため、商業建築物や住宅用にそうしたシステムの需要が増えている。従って、多くの地熱交換システムや地下熱エネルギー貯蔵システムで使用する地熱伝達装置を設置する、迅速で効率的な方法が求められている。また、冷暖房システムを収容する建物を支持する場所打ちコンクリート坑、マイクロパイル、アンカー等の地下支柱構造体を設置する、迅速で効率的な方法も求められている。
本発明の課題は、従来のドリルリグでは削孔が困難なことが多かった岩質に、ケーシング穴を迅速に削孔可能な方法及びシステムを提供することである。また、本発明の目的は、グラウチング工程をより正確に制御し、監視できる方法を提供することである。
本発明は、ケーシング穴を削孔し、地熱伝達装置を設置する方法を提供する。超音波削孔装置を、所望の位置に配置する。超音波削孔装置には、ドリルストリングを地中に回転及び振動させる回転振動装置を含む。回収可能なドリルビットを、ドリルストリングに動作可能に連結する。ケーシング穴を、ドリルストリングを地中に回転振動させて、所望の深さに削孔する。ケーシング穴を所望の深さに削孔した後に、回収可能なドリルビットを、ケーシング穴から回収する。回収可能なドリルビットを回収した後に、地熱伝達装置をケーシング穴内に降下させる。グラウト材を、ドリルストリングを地中から取り出す前又は後に、ケーシング穴内に注入してもよい。
また、ケーシング穴を削孔し場所打ちコンクリート杭を設置する方法を提供する。超音波削孔装置を、所望の位置に配置する。超音波削孔装置には、ドリルストリングを地中に回転及び振動させる回転振動装置を含む。回収可能なドリルビットを、ドリルストリングに動作可能に連結する。ケーシング穴を、ドリルストリングを地中に回転振動させて、所望の深さに削孔する。ケーシング穴を所望の深さに削孔した後に、回収可能なドリルビットを、ケーシング穴から回収する。コンクリートを、ドリルストリングを地中から取り出す前又は後に、ケーシング穴内に注入してもよい。或は地熱伝達装置をケーシング穴内に降下させた後、コンクリートをケーシング穴内に注入して、エネルギー杭を形成してもよい。また、補強鋼構造体を使用してもよい。
更に、ケーシング穴を削孔しマイクロパイルを設置する方法を提供する。超音波削孔装置を、所望の位置に配置する。超音波削孔装置には、ドリルストリングを地中に回転及び振動させる回転振動装置を含む。回収可能なドリルビットを、ドリルストリングに動作可能に連結する。ケーシング穴を、ドリルストリングを地中に回転及び振動させて、所望の深さに削孔する。ケーシング穴を所望の深さに削孔した後に、回収可能なドリルビットを、ケーシング穴から回収する。マイクロパイルを、回収可能なドリルビットを回収した後に、ケーシング穴内に降下させる。グラウト材を、ドリルストリングを地中から取り出す前又は後に、ケーシング穴内に注入してもよい。
上述した方法のいずれでも、回収可能なドリルビットに代えて除去可能なドリルビットを使用できる。例えば、ケーシング穴をグラウチングする前にドリルストリングから除去する犠牲的なドリルビットを、使用してもよい。このドリルビットは、ケーシング穴を所望の深さに削孔した後に、ドリルストリングから分離できさえすればよい。
また、ケーシング穴を削孔するシステムも提供する。
また、ケーシング穴を削孔するシステムも提供する。
図１に示すように、ドリルリグ１０について、ケーシング穴１２を地中１４に削孔しているところが示されている。一般に、ドリルリグ１０には、移動可能な車両５０に取り付けた削孔装置２０を備える。車両５０を所望する削孔箇所の地表１５に止め、削孔装置２０を所望の削孔位置にする。ドリルパイプ２２を、削孔装置２０に動作可能に連結する。ドリルパイプ２２の近位端部２３を、削孔装置２０に螺結する。ドリルパイプ２２の遠位端部２４を、ドリルパイプ２２と同心のリングビット２６と連結する。ドリルパイプ２２とリングビット２６とを組合せて、開放端のドリルストリング３０を形成する。ドリルストリング３０によって画定する、キャビティ又は内部空間３５を存在させる。回収可能なセンタービット２８を、ドリルストリング３０にリングビット２６のところで着脱可能に連結する。
本実施例では、削孔装置２０を、超音波ドリルの形の回転振動装置とする。超音波ドリルは、当該技術分野で周知であり、超音波ドリルの例は、本発明者の以前の特許文献１〜２に記載されており、これらの全開示を、参照として本明細書に組込むものとする。従って、削孔装置２０については、本明細書では更に詳細に記載しない。削孔装置２０は、地中１４へとドリルストリング３０を回転及び振動させる。ホース４２でポンプ装置４０を削孔装置２０と油圧的に連結する。削孔工程中、加圧流体をポンプ装置４０によってホース４２に沿って、削孔装置２０を介して、矢印４４で示すように、ドリルストリング３０の内部空間３５に、圧送する。
図２で最もよく示されるように、加圧流体は、回収可能なドリルビット２８にある通路２７及び２９を通り、矢印４５及び４６で示すように、流れる。図１で示したホース４２の直径を、内部空間３５の直径以下とし、それにより加圧流体が、高圧力スパイクに応じて、ホースを通り押し戻されないようにする。振動するドリルストリング３０により、流体柱内で圧力を発生させて、ドリルストリングが振動するのと同じ周波数で振動させる。このようにして発生させた圧力スパイク３８ａ、３８ｂ、３８ｃにより、流体柱を水撃と同様に機能させ、それにより更なる削孔力を加える。
少なくとも、十分な加圧流体を内部空間３５に圧送して、流体柱３７を形成する。そうすることで、地盤材が回収可能なドリルビット２８の通路２７及び２９を通り内部空間３５内に侵入するのを妨害する。しかしながら、切削物をドリルストリング３０と地中１４との間の環周部１３から地表１５にまで運び上げるために、更なる加圧流体を内部空間３５内に、圧送してもよい。これについては、図２で説明している。矢印４４で、加圧流体がドリルストリング３０の内部空間３５を通り地中１４に流入する流れ方向を示している。矢印４５及び４６で示すように、余分な加圧流体は、回収可能なドリルビット２８の下及び周りへと押出され、環周部１３内を上昇して地表へと向かう。加圧流体は、切削流体として機能し、環周部１３を上昇しながら切削物を地表１５へと運び、地表１５で矢印４７及び４８で示すように、加圧流体と切削物を、ケーシング穴１２から排出する。この実施例では、加圧流体を水とするが、重合体又は粘土といった付加的要素を有する水も使用できる。加圧流体の圧力範囲を、１００ｐｓｉ〜５０００ｐｓｉとするが、好適な圧力範囲を５００ｐｓｉ〜２０００ｐｓｉとする。
更なるドリルパイプ（図示せず）を、続けてドリルストリング３０に追加してもよい。各更なるドリルパイプには、第１端部と第２端部を有する。更なるドリルパイプを中空とし、両端部を開口させる。更なるドリルパイプの第１端部を、削孔装置２０に螺結させ、更なるドリルパイプの第２端部を、ドリルストリング３０に螺結させる。次に、更なるドリルパイプを地中に回転振動させ、ケーシング穴１２を更に深くしてもよい。更なるドリルパイプは、手動又は自動化したドリルパイプ操作装置で、追加できる。
次に図３を参照すると、リングビット２６と回収可能なドリルビット２８について一層詳しく示している。リングビット２６は、ドリルパイプ２２に螺結し、環状内壁４１を有する。環状凹部４３と環状肩部４９は、リングビット２６の環状内壁４１周りに延在する。環状凹部４３と環状肩部４９とを、略平行とし、互いに離間させる。回収可能なドリルビット２８を、リングビット２６内に配置し、リングビット２６に着脱可能に連結する。回収可能なドリルビット２８には、リングビット２６の肩部４９に載置するスリーブ部５１を含む。突出部が、スリーブ部５１から長手方向外側に延在しており、その突出部により、回収可能なドリルビット２８のボタンビット部５３を画定する。通路２７及び２９は、ボタンビット部５３を通り延在しており、上述したように、流体が回収可能なドリルビット２８から流出可能にする。複数のドッグ、図３では５４ａと５４ｂの２つだけ示しているが、これらドッグを、回収可能なドリルビット２８のスリーブ部５１の対応する径方向開口部５５ａ及び５５ｂに往復動可能に延在させる。環状バネ６５により、ドッグ５４ａ及び５４ｂの少なくとも一部を、開口部５５ａ及び５５ｂ内で保持し、回収可能なドリルビット２８のスリーブ部５１と連絡状態にする。
円錐形のデテント５６を、回収可能なドリルビット２８のスリーブ部５１内に配置する。フランジ５７をデテント５６のテーパ端部付近に存在させる。図３で最もよく示されるように、回収可能なドリルビット２８をリングビット２６に着脱可能に連結すると、デテント５６がドッグ５４ａ及び５４ｂを、回収可能なドリルビット２８のスリーブ部５１の径方向外側に付勢し、リングビット２６の内壁４１の環状凹部４３に嵌入させる。遠位端にツマミ５９を有するシャフト５８を、デテント５６から延伸させる。当業者は、シャフト５８を引いて、デテント５６を図３に示した位置から上方に動かせるものと、理解するであろう。デテント５６を図３で示した位置から上方に移動させると、デテント５６の円錐形がドッグ５４ａ及び５４ｂをリングビット２６の凹部４３に嵌入しなくなる。その結果、バネ６５がドッグ５４ａ及び５４ｂを、径方向開口部５５ａ及び５５ｂを通り回収可能なドリルビット２８のスリーブ部５１に入るよう付勢する。
図４〜６で示すように、ケーシング穴１２を所望の深さに削孔したら、ドリルストリング３０を削孔装置２０から外す。図４で示すように、綱６３に繋いだ回収ツール６１を、ドリルストリング３０内に降下させる。回収ツール６１には、シャフト５８の遠位端にあるツマミ５９と係合するためのラッチ（図示せず）を含み、シャフト５８は、回収可能なドリルビット２８のスリーブ部５１内に配置したデテント５６から延伸している。図５で示すように、回収ツール６１がツマミ５９とシャフト５８の遠位端で係合した後に、上向きの力を綱６３に付与して、デテント５６を上方に移動させ、ドッグ５４ａ及び５４ｂをリングビット２６の凹部４３と係合させないようにできる。その結果、バネ６５がドッグ５４ａ及び５４ｂを、径方向開口部５５ａ及び５５ｂを通り、回収可能なドリル２８のスリーブ部５１に入るよう付勢する。図６で示すように、ケーシング穴１２を残して、回収可能なドリルビット２８を地中１４から取出してもよい。
当業者は、上述した回収可能なドリルビットは、本明細書で開示した方法による地熱伝達装置を設置するのに使用できるドリルビットの１実施例に過ぎないと、理解するであろう。また、他の適当な種類のドリルビットも使用できる。例えば、図７で示すように、除去可能なドリルビット１２８を使用してもよい。この実施例では、除去可能なドリルビット１２８を、溶接部１３０ａ及び１３０ｂで示したように、ドリルストリング３０にステッチ溶接した犠牲的なビットとする。しかしながら、除去可能なドリルビット１２８をドリルストリング３０に結合する他の手段、例えば、ロールピンを、使用してもよい。通路１２７及び１２９を、回収可能なドリルビット２８に関して前述したように、除去可能なドリルビット１２８を通して流体を流動可能にするように、除去可能なドリルビット１２８を通して延在させる。図７で示したように、ケーシング穴１２を所望の深さに削孔したら、除去ツール１６１を、その穴に落下させる。除去ツール１６１で、除去可能なドリルビット１２８をドリルストリング３０から外に叩き出し、ドリルストリング３０を地中１４から取り出す際に、除去可能なドリルビット１２８を地中１４に残す。好適には、除去ツール１６１を金属棒とし、実施例によっては、除去ツール１６１を回収可能にするよう繋いでもよい。
更に、本明細書に開示した方法の範囲から逸脱することなく、削孔工程を変更してもよい。例えば、図１５で示すように、岩盤１１４により削孔工程が妨害された状況では、ダウンザホールドリルビット装置９９を付けたダウンザホールハンマー装置９８を使用して、穴１２を所望の深さまで削孔するために、岩盤１１４に打ち込んでもよい。
穴を削孔したら、地中１４に及び地中１４から熱を伝達できる地熱伝達装置を、ドリルストリング３０の内部空間３５に、即ちケーシング穴１２に、降下させる。地熱伝達装置を、図９で示すように、地熱伝達ループ７０としてもよい。好適には、地熱伝達ループ７０を流体で充填した後で、ケーシング穴１２に降下させる。この実施例では、地熱伝達ループ７０を、水を充填した高密度ポリエチレンチューブとする。流体により、地熱伝達ループ７０が加重され、地熱伝達ループ７０がケーシング穴１２に残存する可能性がある流体柱で破壊されなくなる。
また、錘７５を地熱伝達ループ７０に取着して、容易に地熱伝達ループ７０がケーシング穴１２に降下できるようにしてもよい。地熱伝達ループ７０の先頭部分７１を更に真直ぐにして、容易に地熱伝達ループ７０を降下できるようにし、地熱伝達ループ７０を、ドリルストリング３０のグラウチング工程及び引上げ中に、ケーシング穴１２の底部に保持するのに役立ててもよい。この実施例では、錘７５を、地熱伝達ループ７０の先頭部分７１にワイヤ７６で取着する細長い棒鋼片とする。この棒鋼は、錘と、地熱伝達ループ７０の先頭部分７１を真直ぐにする手段という２つの機能を果たす。地熱伝達ループ７０を完全にケーシング穴１２に降下させたら、穴１２をグラウチングする。ドリルストリング３０を地中１４に入れたまま、又はドリルストリング３０を地中から取出した後に、穴１２をグラウチングしてもよい。
本発明者による同時係属中の特許文献３で開示したような地熱交換システムにおける地熱伝達ループを使用することは既知であり、その出願の完全な開示を本明細書に参照として組み込むものとし、その出願では、地熱伝達ループをヒートポンプに結合する。従って、本方法では、地熱伝達ループを設置する改良した手段を提供する。
或は、地熱伝達装置を、図１０及び図１１に示すような同軸地熱伝達装置７７としてもよい。図１０及び図１１に示した同軸地熱伝達装置７７は、キッドウェル（Ｋｉｄｗｅｌｌ）氏他へ付与された特許文献４で開示された種類のものと同様であり、その特許の完全な開示を、本明細書に参照として組込むものとする。図１１で示すように、同軸地熱伝達装置７７には、外側の伝熱導管１１２と、外側導管１１２内に配置する内側導管１１４とを含む。内側導管１１４には、複数の連結したフィン１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃを有し、そのフィンにより内側導管１１４と外側導管１１２との間に螺旋環状流路を形成する。運転中、流体を地面から内側導管１１４の下側へと圧送し、その流体は矢印１１１及び１１３で示したように、内側導管１１４の遠位端で排出される。次に、流体は、矢印１１５及び１１７で示すように、環状流路に沿って地面へと還流する。流体を循環させることで、地面と周囲環境との間で熱伝達が可能になる。
同軸流の地熱伝達装置を地熱交換システムで使用することは、キッドウェル（Ｋｉｄｗｅｌｌ）氏他への特許文献５及びその継続出願で開示されたように、既知であり、それらの全開示を本明細書に参照として組み込むものとし、同軸地熱伝達装置をヒートポンプと結合させる。従って、本方法では、同軸流の地熱伝達装置を設置する改良した手段を提供する。
他の実施例では、地熱伝達装置を、クー（Ｑｕ）氏へ付与された特許文献６〜７に開示された種類と同様な超伝導性熱伝達装置としてもよく、それらの全開示を、本明細書に参照として組込むものとする。超伝導性熱伝達装置により、地面への及び地面からの双方向熱伝達が可能である。クー氏が開示した超伝導性熱伝達装置には、通常基材を導管の形で含み、導管に超伝導性熱伝達媒体を担持する。超熱伝導媒体を、導管の内面に、３層の基本層で塗布し、最初の２層を溶液から作製し、第３層を粉末から作製する。
超熱伝導媒体の第１層は、過酸化ナトリウム、酸化ナトリウム、酸化ベリリウム、三酸化二マンガン、重クロム酸アルミニウム、重クロム酸カルシウム、酸化ホウ素、及び重クロム酸ラジカルから成る群から選択される少なくとも１つの化合物を含む。超熱伝導媒体の第１層を、導管の内面に吸収させ、導管の内面がエッチングされるのを防ぐ耐食層とする。また、理論上、第１層により、導管を構成する材料である原子装置を、熱を一層容易に吸収できるように、再整列させる。第１層の更なる機能は、導管内面の酸化により熱抵抗が起きるため、導管内面で酸化物を生成させないようにすることである。
超熱伝導媒体の第２層には、酸化コバルト、三酸化二マンガン、酸化ベリリウム、クロム酸ストロンチウム、炭酸ストロンチウム、酸化ロジウム、酸化第二銅、ベータチタニウム、重クロム酸カリウム、酸化ホウ素、重クロム酸カルシウム、重クロム酸マンガン、重クロム酸アルミニウム、重クロム酸ラジカルから成る群から選択される少なくとも１つの化合物を含む。超熱伝導媒体の第２層は、水素元素と酸素元素の生成を防ぎ、その結果、酸素原子と導管を構成する材料の原子との間での酸化を抑制する。理論上、第２層は導管内面全体で熱を伝導する。第２層の更なる機能は、伝導用熱通路を提供するように、超熱伝導媒体の第３層と関連する分子振動及び分子摩擦の加速を助けることである。
超熱伝導媒体の第３層には、変性酸化ロジウム、重クロム酸カリウム、変性酸化ラジウム、重クロム酸ナトリウム、重クロム酸銀、単結晶シリコン、酸化ベリリウム、クロム酸ストロンチウム、酸化ホウ素、過酸化ナトリウム、ベータチタニウム、重クロム酸金属塩から成る群から選択される少なくとも１つの化合物を含む。超熱伝導媒体の第３層は、超熱伝導媒体を最低活性化温度に曝すと、熱を発生すると考えられる。活性化すると、超熱伝導媒体の第３層の原子は、超熱伝導媒体の第１層と第２層の原子と共に振動し始める。実験で、そうした超熱伝導媒体を基材上に正確に配置すると、通常、銀の熱伝導率より２万倍高い熱伝導率となることが分かった。
地熱交換システムで、熱超伝導媒体を含む地熱伝達装置を使用することは、ミューラー（Ｍｕｅｌｌｅｒ）氏他へ付与された同時係属中の特許文献８で開示されたように、既知であり、その全開示を本明細書に参照として組み込むものとし、熱超伝導媒体を含む地熱伝達装置をヒートポンプと結合させる。従って、本方法ではまた、熱超伝導媒体を含み、地熱交換システムで使用する、地熱伝達装置を設置する改良した手段も提供する。
次に、図１２及び図１３を参照すると、地熱伝達ループ７０を完全にドリルストリング３０内に降下させたら、穴１２をグラウチングしてもよい。穴１２を、ドリルストリング３０を地中１４に残したまま、又はドリルストリング３０を地中１４から取出した後に、グラウチングしてもよい。この実施例では、グラウチングをトレミー管工法で完成する。トレミー管ホース８０を穴１２内に降下させる。トレミー管ホースは、遠位端の鋼管部分８２と近位端の可撓管部分８１から成る。鋼管部分８２を、穴１２に降下させたトレミー管ホース８０の先頭端部とする。ポンプ８６により、熱伝導性グラウト材１２０をタンク８８からトレミー管ホース８０に沿って穴１２の底部まで圧送する。グラウト材１２０で地熱伝達ループ７０を包囲する。穴１２を下から充填するにつれ、トレミー管ホースのリール８７で、トレミー管ホース８０の先頭端部をグラウト材１２０より低く保つようにして、トレミー管ホース８０を穴１２から引出す。この工程を、穴１２をグラウト材１２０で充填し、図１４及び図１６で示すように、地熱伝達ループ７０の地表１５より下にある部分をグラウト材で取り囲むまで、続ける。
他の実施例では、グラウチングを、加圧グラウチング工法で完成してもよい。加圧グラウチングを、ドリルストリングの先端にグラウトラインを取着して完成してもよい、又はグラウトラインを、ドリルヘッドのスイベルに取着することもできる。ドリルストリングを地中から取出しながら、同時にグラウト材を、ドリルストリングの内部空間に圧送する。ケーシングを取出したら、グラウチングを仕上げる。場合によっては、例えば、ドリルストリングを取り出すと地熱ループ周りが崩壊してしまうシルト質土又は砂質土では、グラウチングは不要かも知れない。
図１７に示すように、グラウチング工程を、トレミー管工法又は圧力グラウチング工法で完了したら、地熱伝達ループ７０を、建物１０１又は他の周囲環境を収容する構造物内に配置するヒートポンプ１００に動作可能に連結して、地熱交換システムを形成する。また、地熱伝達ループ７０も、地表１５下の更なる地熱伝達装置に、連続的に、地表１５下で動作可能に連結してもよい。その後一連の地熱伝達装置を、共用のヒートポンプに連結する。
或は、図１８に示すように、地熱伝達ループ７０をヒートポンプ１０３に動作可能に連結し、そのヒートポンプ１０３を次に地熱エネルギー収集装置１０５に結合させ、地下熱エネルギー貯蔵システムを形成してもよい。図１８で示した実施例では、地熱エネルギー収集装置１０５を、道路１０７に配置した太陽エネルギー収集装置とする。道路１０７の路面への太陽放射からの熱を、夏の間熱エネルギー収集装置１０５で集熱する。その熱をヒートポンプ１０３で、蓄熱する地中１４へと圧送する。蓄熱をその後使用して、冬の間、道路１０７の路面の雪又は氷を溶かしてもよい。別の実施例では、地中からの熱を使用して、冬の間、冷気を暖めてもよい。そうすることで、地中温度が低下する。こうして低下した地中温度をその後夏の間使用して、周囲環境を冷却してもよい。従って、冷熱両方を、地下熱エネルギー貯蔵システムに蓄積できる。
次に図１９及び図２０を参照すると、別の用途で、地熱伝達装置を、地熱伝達ループ７０．１の形で、補強鋼構造体９２に取付けて、本方法により削孔したケーシング穴１２．１内に降下させる。図１９及び図２０では、同じ構造体及び環境には、図１２でと同じ参照番号に、追加の数字表示「．１」を付している。この実施例では、地熱伝達装置を地熱伝達ループ７０．１としている。しかしながら、当業者は、熱を地面へ及び地面から伝達可能な如何なる地熱伝達装置を使用してもよいと、理解するであろう。この実施例では、地熱伝達ループ７０．１と補強鋼構造体９２との組合せを、穴１２．１内に降下させたら、その穴１２．１を、コンクリート車９１によってコンクリート９３で、本明細書で既に記載したトレミー管工法を用いて、充填して、図２１で示したエネルギー杭９４を形成してもよい。他の実施例では、穴１２を、グラウト又は他の適当な物質で、充填してもよい。
図２１では、同じ構造体及び環境には、図１７でと同じ参照番号に、追加の数字表示「．１」を付している。エネルギー杭９４により、建物１０１．１に基礎支柱を提供し、またエネルギー杭９４を、建物１０１．１内に配置したヒートポンプ１００．１に動作可能に連結して、地熱交換システムを形成する。従って、エネルギー杭は、基礎杭が必要な地盤状態で地熱交換システムを設置する費用対効果に優れた方法である。現在、こうしたエネルギー杭は、セメンテーション・ファンデーションズ・スカンスカ（Cementation Foundations Skanska）社（メイプルクロスハウス、デンハムウェイ、メイプルクロス、リックマンズワース、ハートフォードシャー、英国、ＷＤ３ ９ＳＷ（Maple Cross House,Denham Way,Maple Cross,Rickmansworth,Herts,United Kingdom,WD3 9SW））により、設置されている。
次に、図２２及び図２３を参照すると、更に別の用途では、本方法により削孔したケーシング穴１２．２を、場所打ちコンクリート杭を設置するためにコンクリートで充填してもよい。図２２及び図２３では、同じ構造体及び環境には、図１２及び図１７でと同じ参照番号に、夫々追加の数字表示「．２」を付している。伝統的な木杭と比べて、場所打ちコンクリート杭を使用すると多くの利点がある。例えば、場所打ちコンクリート杭は、腐敗せず、昆虫や海洋穿孔虫から攻撃されない。また、コンクリートの耐荷重は木の耐荷重より大きい。図２２に示すように、ケーシング穴１２．２を上述した方法により所望の深さに削孔したら、補強鋼構造体９２を穴１２．２内に降下させる。次にコンクリートミキサー車９１により、コンクリート９３をケーシング穴１２．２内に、本明細書で前述したトレミー管工法を用いて注入する。穴１２．２をコンクリートで満たすと、ドリルストリング３０．２をその穴の外から振動させる。ドリルストリング３０．２を穴１２．２の外から振動させるにつれ、コンクリート９３が強制的に、ドリルストリング３０で作った空間に流入して、周囲の土粒子と混ぜられ、コンクリート９３が硬化した後に極めて強力な結合体となる。こうして得た場所打ちコンクリート杭９５ａ、９５ｂ、９５ｃを、図２３に示すが、これら杭を使用して、建物１０１．２の基礎支柱を提供してもよい。
次に図２４及び図２５を参照すると、更にまた別の用途において、本方法により削孔したケーシング穴１２．３を使用して、マイクロパイル又はミニパイルを設置する。図２４及び図２５では、同じ構造体及び環境には、図１２及び図１７でと同じ参照番号に、夫々追加の数字表示「．３」を付している。マイクロパイルは、軸荷重及び／又は横荷重に耐えられる小径の杭である。コンクリートパイルと比べて、マイクロパイルを使用すると多くの利点がある。例えば、コンクリートパイルでは、耐荷重の大部分は鉄筋コンクリートによって提供される。そのため、耐荷重を大きくするには、現場打ちコンクリートパイルの断面積や表面積を大きくすることになる。対照的に、マイクロパイルは、高耐荷重の鉄骨要素に、耐荷重について依存するため、小口径で済み、制限された環境でも設置できる。
更にまた、インターナショナル・アソシエーション・オブ・ファンデーション・ドリリング（International Association of Foundation Drilling：ＡＤＳＣ）が提供した、トム・エイ（Tom A）氏、アーマー・ピー・イー（Armour P.E.）氏による「土留め及び斜面安定化用マイクロパイル（Micropiles for Earth Retention and Slope Stabilization）」で報告されたように、及び本明細書に参照として組込んだ全開示により、マイクロパイルを設置することで、グラウト／地盤の界面に沿ってグラウト／地盤の結合値を高くできる。グラウトが、地盤アンカーと同様な方法で、荷重を摩擦によって、マイクロパイル結合領域の地盤に伝達する。その結果、マイクロパイルが小口径のためもあり、マイクロパイルについて先端支持力への影響は、殆どの場合無視できる。これにより、支持構造体に優れたアンダーピニングを提供できる。
図２４で示したように、上述した方法によりケーシング穴１２．３を所望の深さに削孔したら、マイクロパイル９７を、ケーシング穴１２．３内に降下させる。その後、ポンプ８６．３により、グラウト材１２０．３をタンク８８．３から、本明細書で前述した、トレミー管工法を用いて、圧送する。穴１２．３をグラウト材１２０．３で満たすと、ドリルストリング３０．３を、その穴の外から振動させる。ドリルストリング３０．３を穴１２．３の外から振動させながら、グラウト材１２０．３を強制的に、ドリルストリング３０．３が作った空間内に流入させ、周囲の土粒子と混ぜて、極めて強力な結合体を作製する。また、グラウト材１２０．３はマイクロパイル９７とも固着する。
その結果得られたマイクロパイル９７ａ、９７ｂ、９７ｃを図２５に示し、マイクロパイルを使用して建物の基礎支柱（図示せず）を提供してもよい。この実施例では、マイクロパイル９７ａの１本について示したように、各マイクロパイルには、弾性スペーサ１３０と、高耐荷重の鉄骨要素１４０と、トルクを与えるアンカープレート１５０と、を含み、そのマイクロパイルは、デイビダーク-システムズ・インターナショナル・リミテッド（DYWIDAG-Systems
International Limited）社（ノースフィールドロード、ソウザン、ウォリックシャー、英国、ＣＶ４７ ＯＦＧ（Northfield Road, Southam, Warwickshire, United Kingdom, CV47 OFG））が提供するＧＥＷＩ（登録商標）パイルと同様である。このＧＥＷＩパイルは、マイクロパイルとアンカーの両方として機能する。
International Limited）社（ノースフィールドロード、ソウザン、ウォリックシャー、英国、ＣＶ４７ ＯＦＧ（Northfield Road, Southam, Warwickshire, United Kingdom, CV47 OFG））が提供するＧＥＷＩ（登録商標）パイルと同様である。このＧＥＷＩパイルは、マイクロパイルとアンカーの両方として機能する。
或は、図２６に示すように、エル．ビー．フォスター（L.B.Foster）社（６５００ ラングフィールドロード、ヒューストン、テキサス、米国、７７０９２（6500 Langfield Road, Houston, Texas, United States of America 77092））が提供するタイプと同様な、従来のマイクロパイル１０９ａ、１０９ｃ、１０９ｃを、本明細書に開示した方法を用いて、設置して建物１０１．４を支持してもよい。図２６では、同じ構造体及び環境には、図１２でと同じ参照番号に、追加の数字表示「．４」を付している。
当業者は、以上で述べた詳細の多くは、ほんの一例として挙げただけで、以下の請求項に記載する本発明の範囲から逸脱せずに、変更又は削除できることを、理解するであろう。
１０ ドリルリグ
１２ ケーシング穴
１３ 環周部
１４ 地中
１５ 地表
２０ 削孔装置
２２ ドリルパイプ
２３ 近位端部
２４ 遠位端部
２６ リングビット
２７、２９ 通路
２８ 回収可能なドリルビット
３０ ドリルストリング
３５ 内部空間
３７ 流体柱
４０ ポンプ装置
４１ 環状内壁
４２ ホース
４３ 環状凹部
４９ 環状肩部
５０ 車両
５１ スリーブ部
５３ ボタンビット部
５４ａ、５４ｂ ドッグ
５５ａ、５５ｂ 径方向開口部
５６ デテント
５７ フランジ
５８ シャフト
５９ ツマミ
６１ 回収ツール
６３ 綱
７０ 地熱伝達ループ
７１ 先頭部分
７５ 錘
７７ 同軸地熱伝達装置
８０ トレミー管用ホース
８１ 可撓管部分
８２ 鋼管部分
８６ ポンプ
８７ トレミー管ホースのリール
８８ タンク
９１ コンクリート車
９２ 補強鋼構造体
９３ コンクリート
９４ エネルギー杭
９５ａ、９５ｂ、９５ｃ 場所打ちコンクリート杭
９７ マイクロパイル
９８ ダウンザホールハンマー装置
９９ ダウンザホールドリルビット装置
１００、１０３ ヒートポンプ
１０１ 建物
１０５ 地熱エネルギー収集装置
１１２ 外側導管
１１４ 岩盤
１１４ 内側導管
１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ フィン
１２０ グラウト材
１２８ 除去可能なドリルビット
１３０ａ、１３０ｂ 溶接部
１６１ 除去ツール
１２ ケーシング穴
１３ 環周部
１４ 地中
１５ 地表
２０ 削孔装置
２２ ドリルパイプ
２３ 近位端部
２４ 遠位端部
２６ リングビット
２７、２９ 通路
２８ 回収可能なドリルビット
３０ ドリルストリング
３５ 内部空間
３７ 流体柱
４０ ポンプ装置
４１ 環状内壁
４２ ホース
４３ 環状凹部
４９ 環状肩部
５０ 車両
５１ スリーブ部
５３ ボタンビット部
５４ａ、５４ｂ ドッグ
５５ａ、５５ｂ 径方向開口部
５６ デテント
５７ フランジ
５８ シャフト
５９ ツマミ
６１ 回収ツール
６３ 綱
７０ 地熱伝達ループ
７１ 先頭部分
７５ 錘
７７ 同軸地熱伝達装置
８０ トレミー管用ホース
８１ 可撓管部分
８２ 鋼管部分
８６ ポンプ
８７ トレミー管ホースのリール
８８ タンク
９１ コンクリート車
９２ 補強鋼構造体
９３ コンクリート
９４ エネルギー杭
９５ａ、９５ｂ、９５ｃ 場所打ちコンクリート杭
９７ マイクロパイル
９８ ダウンザホールハンマー装置
９９ ダウンザホールドリルビット装置
１００、１０３ ヒートポンプ
１０１ 建物
１０５ 地熱エネルギー収集装置
１１２ 外側導管
１１４ 岩盤
１１４ 内側導管
１１６ａ、１１６ｂ、１１６ｃ フィン
１２０ グラウト材
１２８ 除去可能なドリルビット
１３０ａ、１３０ｂ 溶接部
１６１ 除去ツール
Claims (34)
- ケーシング穴を削孔し地熱伝達装置を設置する方法であって、
所望位置に超音波削孔装置を配置し、
超音波削孔装置には、ドリルストリングを地中に回転及び振動させる回転振動装置を設け、回収可能なドリルビットをドリルストリングに動作可能に連結し、
ケーシング穴を所望の深さに、ドリルストリングを地中に回転振動させて削孔し、
回収可能なドリルビットをケーシング穴から、ケーシング穴を所望の深さまで削孔した後に回収し、
回収可能なドリルビットを回収した後に、地熱伝達装置をケーシング穴内に降下させ、
ドリルストリングを地中から取り出す
ことを特徴とする方法。 - ドリルストリングを地中に回転振動させながら、同時にケーシング穴内に流体を注入する
請求項１に記載の方法。 - 地熱伝達装置をケーシング穴内に降下させた後に、グラウト材をケーシング穴内に注入する
請求項１に記載の方法。 - 地熱伝達装置をケーシング穴内に降下させた後に、地中の外からドリルストリングを振動させるのと同時に、グラウト材をケーシング穴内に注入する
請求項１に記載の方法。 - 地熱伝達装置をヒートポンプに動作可能に連結する
請求項１に記載の方法。 - 地熱伝達装置を補強鋼構造体に前もって取付けておき、所望の深さにケーシング穴を削孔した後に地熱伝達装置と補強鋼構造体の両方をケーシング穴内に降下させる
請求項１に記載の方法。 - 地熱伝達装置と補強鋼構造体をケーシング穴内に降下させた後に、ケーシング穴内にコンクリートを注入する
請求項６に記載の方法。 - 地熱伝達装置と補強鋼構造体をケーシング穴内に降下させた後に、ドリルストリングを地中の外から振動させるのと同時に、ケーシング穴内にコンクリートを注入する
請求項６に記載の方法。 - ケーシング穴を削孔し地熱伝達装置を設置する方法であって、
所望位置に超音波削孔装置を配置し、
超音波削孔装置には、ドリルストリングを地中に回転及び振動させる回転振動装置を設け、回収可能なドリルビットをドリルストリングに動作可能に連結し、
ケーシング穴を所望の深さに、ドリルストリングを地中に回転振動させて削孔し、
除去可能なドリルビットをドリルストリングから、ケーシング穴を所望の深さまで削孔した後に除去し、
回収可能なドリルビットを回収した後に、地熱伝達装置をケーシング穴内に降下させ、
ドリルストリングを地中から取り出す
ことを特徴とする方法。 - ドリルストリングを地中に回転振動させながら、同時にケーシング穴内に流体を注入する
請求項９に記載の方法。 - 地熱伝達装置をケーシング穴内に降下させた後に、グラウト材をケーシング穴内に注入する
請求項９に記載の方法。 - 地熱伝達装置をケーシング穴内に降下させた後に、地中の外からドリルストリングを振動させるのと同時に、グラウト材をケーシング穴内に注入する
請求項９に記載の方法。 - 地熱伝達装置をヒートポンプに動作可能に連結する
請求項９に記載の方法。 - 地熱伝達装置を補強鋼構造体に前もって取付けておき、所望の深さにケーシング穴を削孔した後に地熱伝達装置と補強鋼構造体の両方をケーシング穴内に降下させる
請求項９に記載の方法。 - 地熱伝達装置と補強鋼構造体をケーシング穴内に降下させた後に、ケーシング穴内にコンクリートを注入する
請求項１４に記載の方法。 - 地熱伝達装置と補強鋼構造体をケーシング穴内に降下させた後に、ドリルストリングを地中の外から振動させるのと同時に、ケーシング穴内にコンクリートを注入する
請求項１４に記載の方法。 - ケーシング穴を地中に削孔し場所打ちコンクリート杭を設置する方法であって、
所望位置に超音波削孔装置を配置し、
超音波削孔装置には、ドリルストリングを地中に回転及び振動させる回転振動装置を設け、回収可能なドリルビットをドリルストリングに動作可能に連結し、
ケーシング穴を所望の深さに、ドリルストリングを地中に回転振動させて削孔し、
回収可能なドリルビットをケーシング穴から、ケーシング穴を所望の深さまで削孔した後に回収し、
回収可能なドリルビットを回収した後に、コンクリートをケーシング穴内に注入し、
ドリルストリングを地中から取り出す
ことを特徴とする方法。 - 中空のドリルストリングを地中に回転振動させながら、同時にケーシング穴内に流体を注入する
請求項１７に記載の方法。 - 補強鋼構造体をケーシング穴内に降下させた後に、コンクリートをケーシング穴内に注入する
請求項１７に記載の方法。 - 地中の外からドリルストリングを振動させるのと同時に、コンクリートをケーシング穴内に注入する
請求項１９に記載の方法。 - 地中の外から中空のドリルストリングを振動させながら、同時にコンクリートをケーシング穴内に注入する
請求項１７に記載の方法。 - ケーシング穴を地中に削孔し場所打ちコンクリート杭を設置する方法であって、
所望位置に超音波削孔装置を配置し、
超音波削孔装置には、ドリルストリングを地中に回転及び振動させる回転振動装置を設け、除去可能なドリルビットをドリルストリングに動作可能に連結し、
ケーシング穴を所望の深さに、ドリルストリングを地中に回転振動させて削孔し、
除去可能なドリルビットをドリルストリングから、ケーシング穴を所望の深さまで削孔した後に除去し、
回収可能なドリルビットを回収した後に、コンクリートをケーシング穴内に注入し、
ドリルストリングを地中から取り出す
ことを特徴とする方法。 - 中空のドリルストリングを地中に回転振動させながら、同時にケーシング穴内に流体を注入する
請求項２２に記載の方法。 - 補強鋼構造体をケーシング穴内に降下させた後に、コンクリートをケーシング穴内に注入する
請求項２２に記載の方法。 - コンクリートをケーシング穴内に注入しながら、同時に地中の外からドリルストリングを振動させる
請求項２４に記載の方法。 - コンクリートをケーシング穴内に注入しながら、同時に地中の外から中空のドリルストリングを振動させる
請求項２２に記載の方法。 - ケーシング穴を削孔しマイクロパイルを設置する方法であって、
所望位置に超音波削孔装置を配置し、
超音波削孔装置には、ドリルストリングを地中に回転及び振動させる回転振動装置を設け、回収可能なドリルビットをドリルストリングに動作可能に連結し、
ケーシング穴を所望の深さに、ドリルストリングを地中に回転振動させて削孔し、
回収可能なドリルビットをケーシング穴から、ケーシング穴を所望の深さまで削孔した後に回収し、
回収可能なドリルビットを回収した後に、マイクロパイルをケーシング穴内に降下させ、
ドリルストリングを地中から取り出す
ことを特徴とする方法。 - ドリルストリングを地中に回転振動させながら、同時にケーシング穴内に流体を注入する
請求項２７に記載の方法。 - マイクロパイルをケーシング穴内に降下させた後に、グラウト材をケーシング穴内に注入する
請求項２７に記載の方法。 - マイクロパイルをケーシング穴内に降下させた後、地中の外からドリルストリングを振動させるのと同時に、グラウト材をケーシング穴内に注入する
請求項２７に記載の方法。 - ケーシング穴を削孔しマイクロパイルを設置する方法であって、
所望位置に超音波削孔装置を配置し、
超音波削孔装置には、ドリルストリングを地中に回転振動させる回転振動装置を設け、除去可能なドリルビットをドリルストリングに動作可能に連結し、
ケーシング穴を所望の深さに、ドリルストリングを地中に回転振動させて削孔し、
除去可能なドリルビットをドリルストリングから、ケーシング穴を所望の深さまで削孔した後に除去し、
除去可能なドリルビットを除去した後に、マイクロパイルをケーシング穴内に降下させ、
ドリルストリングを地中から取り出す
ことを特徴とする方法。 - ドリルストリングを地中に回転振動させながら、同時にケーシング穴内に流体を注入する
請求項３１に記載の方法。 - マイクロパイルをケーシング穴内に降下させた後に、グラウト材をケーシング穴内に注入する
請求項３１に記載の方法。 - マイクロパイルをケーシング穴内に降下させた後に、地中の外からドリルストリングを振動させるのと同時に、グラウト材をケーシング穴内に注入する
請求項３１に記載の方法。
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