JP2013139957A

JP2013139957A - 筒状構造体からなる熱交換器

Info

Publication number: JP2013139957A
Application number: JP2011290716A
Authority: JP
Inventors: Hiroo Toho; 洋雄東方
Original assignee: THREE YUU KK
Current assignee: THREE YUU KK
Priority date: 2011-12-28
Filing date: 2011-12-28
Publication date: 2013-07-18

Abstract

【課題】従来の円筒形の熱交換器では地中熱の採熱・放熱効率が低く、施工も困難であり、コストも高いという問題点を有していた。また地中深さ２ｍまでの地中は外気温度の変化を受けやすく、最深部から最浅部まで同一形状の熱交換器はその影響を受け、採熱放熱効率が低いという問題点を有していた。
【解決手段】本発明の熱交換器は、多角形、波形、フィン形、若しくはこれらの混合形状を形成するよう曲げ加工した金属板を湾曲し造成した筒形外管をもつユニット化した筒状構造体２９、３１、３５の採用により、従来の円筒形熱交換器と比較して表面積が大きいため採熱・放熱効率が高く、またユニット化により住宅密集地での施工性や浅深度での採熱・放熱性にも優れた熱交換器を提供する。
【選択図】図４

Description

本発明は、冷暖房・給湯システムの一部を構成し、自然エネルギーである地中熱の採熱、及び地上で太陽光等より得られた熱の放熱を行う機能を持つ、地中に埋設され使用される熱交換器の構造に関するものである。

近年、世界的な環境問題である地球温暖化への対策として自然エネルギーの有効利用が大きな社会テーマとなっているが、その方策の一つとして地中熱の利用があげられる。地中熱の利用方法には火山帯付近における大深度の地熱発電の方法もあるが、火山帯でない地域でも我国に於いては、地中６ｍ以深の地下では地中温度が通常１６℃程度と安定しており、地中を有効な熱源として利用した冷暖房システムも種々開発されている。

しかしながら、地中熱利用に際しては地下に地中熱を採熱する設備装置を埋設する必要があり、しかも従来地中熱の安定供給の為には約１００ｍという長尺の冷媒循環用のポリエチレン製Ｕ字形チューブを内部に挿入した円筒形採熱杭をボアホール掘削後埋設することが必要であった。これは、元来１００ｍ程度掘削を要する深深度の地中熱が北欧を中心に暖房用として利用されることが進んだことによるものである。北欧等寒冷地における真冬の極寒期には地表付近では地中が凍結するため、１００ｍほど掘削しなければ採熱が非効率となることから、地中熱利用の際には１００ｍ程度の掘削と採熱杭の埋設が必要であり、これが世界的な標準仕様となっていた。

従って、都市部等住宅密集地では大型掘削重機搬入による施工面の困難さ、及び１００ｍにも及ぶ地中熱採熱杭埋設の為の掘削費用がコスト高となり、結果として冷暖房システム全体が３〜４百万円という高価なものとなり、市場への普及が遅れる最大の要因となっていた。

そこで、近年我が国に於いては、施工面や掘削費用の軽減の為、小型掘削機の導入による地中６ｍ程度での浅深度地中熱利用も検討されている。しかしながら、浅深度の地中熱利用に於いて安定した冷暖房運転を実現する為には、温帯に属する我国に於いては、地表から２ｍまでの地中温度が季節により変化するので、地表から地中２ｍまでに位置する熱交換器がその温度変化の影響を受けないことが必要である。また、２ｍから６ｍの浅深度の地中に於いては採熱・放熱効率を高める目的で熱交換器の総延長長さを確保すべく、複数本の熱交換器を埋設したり、更に熱交換器の形状自体も地中熱の効率的な採熱・放熱のため表面積をより広くする必要がある。

従って、１００ｍの長尺で地中熱を採熱する場合には、外管は単純な形状である円筒形鋼管が主に利用されていたが、地表から地中６ｍ付近での浅深度の地中熱利用の場合には、熱交換の効率を高めるため、表面積を増す工夫が種々成されており、円筒形外管の外周にフィンを付加することにより解決しようとするものが多く見られる。（例えば、特許文献１、特許文献２、及び特許文献３参照）。

特開２００６−３８２５６号特開２００７−１８３０２４号特開２００４−６９２８１号

上記特許文献１に示された熱交換器は、熱交換効率を高めるため熱交換器の土壌と接触する部分である外周の表面積を増加させるための手段として、円筒形外管にフィンを設け表面積は増加しているが、付加するフィンは本体外管に１枚ずつ溶接するものとなっており、製造の手間がかかり、埋設の際にもフィン部分の地中孔側面との接触に配慮する必要があり、製造・施工費用が高くなる欠点がある。

また、上記特許文献２に示された熱交換器は、外管表面に凹溝を形成し、その溝と嵌合する突起形状を根元部分に有するフィンを焼き嵌め、もしくは冷し嵌めすることを特徴としているが、フィンを１枚１枚外管の外周に嵌め込んで冷却又は加熱等することが必要となり、十分な製造・施工費用の低減を実現しているとはいえない。また、上記特許文献３に示された熱交換器は、フィンを１枚１枚本体である外管とボルトで連結固定する必要があり、この場合もまた製造・施工費用の削減が不十分である。

更に、上記特許文献１乃至３に記載された熱交換器は、形状をその埋設する深さ方向の途中で変化させることが困難である。１００ｍもの地中の比較的深い深度で１年間安定した温度で地中熱を採熱する場合に比べ、地表より６ｍ程度の浅深度で地中熱を採熱する場合には、四季の経過による外気温度変化の影響を地表から２ｍ程度の深さの地中は受けるため、温度変化を受け易い地表近くに位置する熱交換器の部分はむしろ表面積を少なくしたり断熱材で覆う等の工夫をし、或いは地下室の底面の様に地表より２ｍ以下になる位置に埋設するなど、外気温度の変化由来の安定しない地中温度変化の影響を受けないようにすることが採熱効率上望ましい。

本発明は、このような従来の熱交換器が有していた問題を解決しようとするものであり、製造及び施工時に於いて手間がかからず費用削減効果があり、熱交換効率の高い形状変化が容易な筒状ユニット構造を有する熱交換器を提供することであり、特に外気の温度変化に影響を受け易い地表から６ｍ前後での浅深度における地中熱を採熱する際に適した熱交換器を提供することを目的とするものである。

本発明は上記目的を達成するために、熱交換器の筒状構造を次のように構成したものである。第一に、熱交換器の採熱・放熱部分の表面積を増加させ熱交換の効率を上げる手段として、独立したフィンの接合加工を採択せず、外管の構造としてまず金属板を形状付加加工し、次に形状付加加工した金属板を単体もしくは複数折り曲げて筒状構造体を形成することを特徴とするものである。
第二に、熱交換器の構造を、最深部、最浅部、中間部のユニット構造とし、各ユニットの形状を可変とする構造も採用可能とした。このことにより住宅地の様に狭い道路付の土地に設置する場合でも、各ユニットが搬入可能な長さにコンパクトに分割されているため、敷地搬入の後、組立てて埋設することも容易に可能となった。

即ち、請求項１に記載の熱交換器は、多角形、波形、フィン形、若しくはそれらの混合形状を形成するよう曲げ加工した金属板を湾曲し、単数もしくは複数の該金属板の湾曲により形成された稜線と平行な両端部を溶接して造成した筒状外管と、筒状外管の断面形状と同一もしくは該断面形状の内部にあって熱交換媒体が流動可能な孔及び筒状構造体を緊結するための孔を有する筒状外管の底面に溶接する接続盤とからなる中間部筒状構造体と、該中間部筒状構造体の底面を形成する接続盤のうち一方を封止面とし、地中最深部に配置する最深部筒状構造体と、該中間部筒状構造体の底面を形成する接続盤のうち一方を、熱交換媒体を注入及び排出する孔を有する盤とする、地中最浅部に配置する最浅部筒状構造体の３つの主要ユニットからなるものである。

そして上記主要ユニットと、該最深部筒状構造体と該最浅部筒状構造体の間に単体もしくは複数の該中間部筒状構造体を該接続盤とボルトにより緊結し、形成された筒状構造の内部空間に挿入され、両端の一方は最浅部筒状構造体の注入孔に接続し、片方は最深部筒状構造体の封止面との間隙を有するよう設置された筒状内管とからなることを特徴とする熱交換器を提供するものである。

請求項２に記載の熱交換器は、請求項１における最浅部筒状構造体の筒状外管の形状が、中間部筒状構造体及び最深部筒状構造体のものと異なることを特長とする熱交換器を提供するものである。地表より６ｍ程度の浅深度で地中熱を採熱する場合には、四季の経過による外気温度の影響を地表より２ｍ程度では受けるため、地表に近い熱交換器の部分はむしろ表面積を少なくする方が有利であり、最浅部筒状構造体の筒状外管の形状を中間部筒状構造体等と異なり表面積の少ない形状を選択することを可能とした。

請求項３記載の熱交換器は、地上部から地下最深部までの深長を有する金属仕切基板と、多角形、波形、フィン形、若しくはそれらの混合形状を形成するよう曲げ加工した金属板を湾曲し、該金属仕切基板の縦方向端部と該金属板の湾曲により形成された稜線と平行な端部を溶接して該金属仕切基板の両面方向に単数または複数の湾曲した該金属板を接続し、該金属仕切基板を境界として分割された筒状空間を形成する筒状外管と、地下最深部に於いて該筒状外管を封止する金属盤とからなり、該金属仕切基板の端部に孔を設ける、もしくは該金属仕切基板が該筒状外管を封止する該金属盤から遊離することにより熱交換媒体が底部でおり返して流動可能な構造を有することを特徴とする熱交換器を提供するものである。請求項１及び請求項２の構造とは異なり、コストをより考慮し、最深部、最浅部及び中間部を構成するユニット構造とはせず、金属板を深さ方向には連結しないものとした。

請求項４記載の筒状構造体は、請求項３の金属仕切基板を土留め用Ｈ形鋼とすることを特徴とする熱交換器を提供するものである。

請求項１乃至請求項４に記載した本発明の筒状構造体からなる熱交換器は、上記の如く、大型別部材であるフィンと外管の溶接を必要とせず、製造及び施工面に於いて大幅なコストダウンを達成できる。

また、本発明は、浅深度の地中熱採熱・放熱において、外気温度の影響を大きく受ける地表から２ｍの地中においては、表面積の少ない外管形状を採用し、また２ｍ以深の地中に於いては、表面積の多い外管形状を採用することで熱交換器の一部分の形状変化を可能・容易ならしめ、ユニットを形成する各筒状構造体の形状の特長を採熱・放熱機能の効率化に活かすことができるのである。

更に、本発明は、施工現場とは別の場所で製造・完成された筒状構造体を現場での組合せ・緊結作業で施工可能なため、建設現場の地中の土壌の相違や狭小な敷地の形状等に対応可能であり、大幅な作業性・施工コスト削減の向上が見込まれる。

以下、本発明の実施の形態を図１から図７に基づいて説明する。

図１乃至図４は請求項１にかかる熱交換器を示している。図１（Ａ）は、波形に曲げ加工した１枚の金属板１を示している。

図１（Ｂ）及び図１（Ｃ）は、図１（Ａ）が示す金属板１を湾曲させ、隣接する折り曲げにより形成された稜線３、４と平行な端部５、６を溶接して造成した星形筒状外管７と、星形筒状外管７の断面形状と同一形状である星形の孔８を有し、筒状構造体を連結するときに用いられるボルト孔９を有する筒状外管の底面に溶接する２枚の接続盤２とからなる中間部星形筒状構造体１０を示している、

図１（Ｄ）は、該中間部星形筒状構造体１０を形成する２枚の接続盤２のうち１枚を封止面１１として地中最深部に配置する最深部星形筒状構造体１２を示している。

図１（Ｅ）は、該中間部星形筒状構造体１０を形成する２枚の接続盤２のうち１枚を熱交換媒体が注入及び排出される為の孔１３及び孔１４を有する盤１５とする、地表面に一番近い場所に配置する最浅部星形筒状構造体１６を示している。

図２は、該最深部星形筒状構造体１２と該最浅部星形筒状構造体１６の間に単体の該中間部星形筒状構造体１０をはさむ形で各星形筒状構造体の接続盤２をボルト１７により緊結し、各星形筒状構造体の接続により形成された星形筒状空間１８の内部に挿入される両端の一方が該最浅部星形筒状構造体１６の熱交換媒体の注入孔１３に接続する筒状内管１９とからなることを特徴とする熱交換器を示している。

図３（Ａ）は、フィン形に曲げ加工した１枚の金属板２０を示している。

図３（Ｂ）及び図３（Ｃ）は、図３（Ａ）が示す金属板２０を湾曲させ、隣接する折り曲げにより形成された稜線２２、２３と平行な端部２４、２５を溶接して造成したフィン形筒状外管２６と、フィン形筒状外管２６の断面形状内で媒体が流動可能である多角形部分と同一形状の多角形孔２７を有し、フィン形筒状構造体を連結する際使用されるボルト孔２８を有するフィン形筒状外管２６の底面に溶接する２枚の接続盤２１とからなる中間部フィン形筒状構造体２９を示している。

図３（Ｄ）は、該中間部フィン形筒状構造体２９を形成する２枚の接続盤２１のうち１枚を封止面３０とし地中最深部に配置する最深部フィン形筒状構造体３１を示している。

図３（Ｅ）は、該中間部フィン形筒状構造体２９を形成する２枚の接続盤２１のうち１枚を熱交換媒体が注入及び排出される為の孔３２及び３３を有する盤３４とする、地表面に一番近い場所に配置する最浅部フィン形筒状構造体３５を示している。

図４は、該最深部フィン形筒状構造体３１と該最浅部フィン形筒状構造体３５の間に単体の該中間部フィン形筒状構造体２９をはさむ形で各フィン形筒状構造体の接続盤２１をボルト３６により緊結し、各フィン形筒状構造体の接続により形成された多角形筒状空間３７の内部に挿入される両端の一方が該最浅部フィン形筒状構造体３５の熱交換媒体の注入孔３２に接続する筒状内管３８とからなることを特徴とする熱交換器を示している。

図５は、請求項２にかかる熱交換器を示している。図４で示した請求項１にかかる熱交換器において、最浅部に位置する筒状構造体を、中間部フィン形筒状構造体２９を形成するフィン形筒状外管２６のフィン部分３９を除いた形状と等しい多角形筒状外管４０を有し、２枚の接統盤２１のうち１枚を熱交換媒体が注入及び排出される為の孔４１及び孔４２を有する盤４３とする、最浅部多角形筒状構造体４４とすることを特徴とする熱交換器である。

図６（Ａ）乃至図６（Ｄ）は、請求項３にかかる熱交換器を示している。図６（Ｂ）で示す地上部から地下最深部までの深長を有する長方形の金属仕切基板４５と、図６（Ａ）で示す波形を形成するよう曲げ加工した金属板４６を湾曲させ、該金属仕切基板４５の縦方向端部４７と、該金属板４６の折り曲げにより形成された稜線４８と平行な端部４９を溶接し、該金属仕切基板４５の表面５０と裏面５１の両面に筒状空間を形成する外管構造５２と、地下最深部に於いては外管構造５２を封止する金属盤５３と、該金属仕切基板４５の底部に孔５４を設けることにより熱媒体が折り返して流動可能な図６（Ｄ）で示す底部構造５５と、最浅部においては金属仕切基板４５により２つに仕切られた外管構造５２のそれぞれに繋がる熱交換媒体の注入孔５６及び排出孔５７を有する金属盤５８からなることを特徴とする図６（Ｃ）で示す熱交換器である。

図７（Ａ）乃至図７（Ｄ）は、請求項４にかかる熱交換器を示している。図７（Ｂ）で示す地上部から地下最深部までの深長を有するＨ形鋼５９と、図７（Ａ）で示す波形を形成するよう曲げ加工した金属板６０を湾曲させ、該Ｈ形鋼５９の縦方向端部６１と、該金属板６０の折り曲げにより形成された稜線６２と平行な端部６３を溶接し、該Ｈ形鋼５９の表面６４と裏面６５の両面に筒状空間を形成する外管構造６６と、地下最深部に於いては外管構造６６を封止する金属盤６７と、該Ｈ形鋼５９の底部に孔６８を設けることにより、熱媒体が折り返して流動可能な図７（Ｄ）で示す底部構造６９と、最浅部においてはＨ形鋼５９により２つに仕切られた外管構造６６のそれぞれに繋がる熱交換媒体の注入孔７０及び排出孔７１を有する金属盤７２からなることを有することを特徴とする図７（Ｃ）で示す熱交換器である。

上記の如く、本発明の筒状構造体を緊結させてなるユニット構造からなる熱交換器は、請求項１及び請求項２にかかる熱交換器は形状加工した金属板と金属盤からなる筒状構造体及び内管とからなり、請求項３にかかる熱交換器は形状加工した金属板からなる筒状外管及び金属仕切基板からなり、請求項４にかかる熱交換器は請求項３の金属仕切基板をＨ形鋼とし、組立施工容易で、構造的に安定しており、且つ、安価な熱交換器となる。

請求項１の発明の実施形態にかかる、星形筒状構造を形成する波形に曲げ加工した１枚の金属板を示す図。中間部星形筒状構造体の射視図。中間部星形筒状構造体の上面図。最深部星形筒状構造体の射視図。最浅部星形筒状構造体の射視図。請求項１の発明の実施形態にかかる、星形筒状構造を有する中間部星形筒状構造体、最深部星形筒状構造体、最浅部星形筒状構造体及び筒状内管からなる熱交換器を示す射視図。請求項１の発明の実施形態にかかる、フィン形筒状構造を形成する波形に曲げ加工した１枚の金属板を示す図。中間部フィン形筒状構造体の射視図。中間部フィン形筒状構造体の上面図。最深部フィン形筒状構造体の射視図。最浅部フィン形筒状構造体の射視図。請求項１の発明の実施形態にかかる、フィン形筒状構造を有する中間部フィン形筒状構造体、最深部フィン形筒状構造体、最浅部フィン形筒状構造体及び筒状内管からなる熱交換器を示す図。請求項２の発明の実施形態にかかる、フィン形筒状構造を有する中間部フィン形筒状構造体及び最深部フィン形筒状構造体、多角形筒状構造からなる最浅部多角形筒状構造体、並びに筒状内管からなる熱交換器を示す図。請求項３の発明の実施形態にかかる、波形に曲げ加工した１枚の金属板を示す図。請求項３の発明の実施形態にかかる、金属仕切基板を示す図。請求項３の発明の実施形態にかかる、熱交換器を示す図。請求項３の発明の実施形態にかかる、熱交換器の底部構造を示す図。請求項４の発明の実施形態にかかる、波形に曲げ加工した１枚の金属板を示す図。請求項４の発明の実施形態にかかる、土留め用Ｈ形鋼を示す図。請求項４の発明の実施形態にかかる、熱交換器を示す図。請求項４の発明の実施形態にかかる、熱交換器の底部構造を示す図。

１金属板
２接続盤
３稜線
４稜線
５金属板の端部
６金属板の端部
７星形筒状外管
８星形孔
９ボルト孔
１０中間部星形筒状構造体
１１封止面
１２最深部星形筒状構造体
１３注入孔
１４排出孔
１５盤
１６最浅部星形筒状構造体
１７ボルト
１８星形筒状空間
１９筒状内管
２０金属板
２１接続盤
２２稜線
２３稜線
２４金属板の端部
２５金属板の端部
２６フィン形筒状外管
２７多角形孔
２８ボルト孔
２９中間部フィン形筒状構造体
３０封止面
３１最深部フィン形筒状構造体
３２注入孔
３３排出孔
３４盤
３５最浅部フィン形筒状構造体
３６ボルト
３７多角形筒状空間
３８筒状内管
３９フィン部分
４０多角形筒状外管
４１注入孔
４２排出孔
４３盤
４４最浅部多角形筒状構造体
４５金属仕切基板
４６金属板
４７金属仕切基板の端部
４８稜線
４９金属板の端部
５０金属仕切基板の表面
５１金属仕切基板の裏面
５２外管構造
５３金属盤
５４孔
５５底部構造
５６注入孔
５７排出孔
５８金属盤
５９Ｈ形鋼
６０金属板
６１Ｈ形鋼の端部
６２金属板の稜線
６３金属板の端部
６４Ｈ型鋼の表面
６５Ｈ形鋼の裏面
６６外管構造
６７金属盤
６８孔
６９底部構造
７０注入孔
７１排出孔
７２金属盤

Claims

多角形、波形、フィン形、若しくはこれらの混合形状を形成するよう曲げ加工した金属板を湾曲し、単数もしくは複数の該金属板の湾曲により形成された稜線と平行な両端部を溶接して造成した筒状外管と、筒状外管の断面形状と同一もしくは該断面形状の内部にあって熱交換媒体が流動可能な孔及び筒状構造体を緊結するための孔を有する筒状外管の底面に溶接する接続盤とからなる中間部筒状構造体と、
該中間部筒状構造体の底面を形成する接続盤のうち一方を封止面とし、地中最深部に配置する最深部筒状構造体と、
該中間部筒状構造体の底面を形成する接続盤のうち一方を、熱交換媒体を注入及び排出する孔を有する盤とする、地中最浅部に配置する最浅部筒状構造体と、
該最深部筒状構造体と該最浅部筒状構造体の間に単体もしくは複数の該中間部筒状構造体を該接続盤とボルトにより緊結し、形成された筒状構造の内部空間に挿入され、両端の一方は最浅部筒状構造体の注入孔に接続し、片方は最深部筒状構造体の封止面との間隙を有するよう設置された筒状内管と、
からなることを特徴とする熱交換器。
請求項１における最浅部筒状構造体の筒状外管の形状が、中間部筒状構造体及び最深部筒状構造体のものと異なることを特長とする熱交換器。
地上部から地下最深部までの深長を有する金属仕切基板と、
多角形、波形、フィン形、若しくはこれらの混合形状を形成するよう曲げ加工した金属板を湾曲し、該金属仕切基板の縦方向端部と該金属板の湾曲により形成された稜線と平行な端部を溶接して該金属仕切基板の両面方向に単数または複数の湾曲した該金属板を接続し、該金属仕切基板を境界として分割された筒状空間を形成する筒状外管と、
地下最深部に於いて該筒状外管を封止する金属盤とからなり、
該金属仕切基板の端部に孔を設ける、もしくは該金属仕切基板が該筒状外管を封止する該金属盤から遊離することにより熱交換媒体が底部でおり返して流動可能な構造を有することを特徴とする熱交換器。
請求項３の金属仕切基板を土留め用Ｈ形鋼とすることを特徴とする熱交換器。