JP2013508658A - 地中熱ヒートポンプ用のボアホール地中熱交換器 - Google Patents
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Abstract
採放熱管の内部表面が次の粗さ値：ａ）１〜１５μmの範囲内のDIN EN ISO 4287による算術平均粗さＲａ、ｂ）８〜８０μmの範囲内のDIN EN ISO 4287による平均高さ粗さＲｚ並びにｃ）１０〜５００μmの範囲内のDIN EN ISO 4287による最大高さ粗さＲｚ１maxを有する、ボアホールから地中熱を採取するためのボアホール地中熱交換器は、運転中に改善された流下薄膜を有するので、採放熱管の全ての表面が均一に湿潤される。
Description
本発明は、ボアホールから地中熱を採取するためのボアホール地中熱交換器(Erdwaermesonde)に関する。
ボアホールからの地中熱の採取は、開発された帯水層(Wasserleitern)から熱水を搬送することによるか又はボアホール沿いに地面を冷却することによって、行われる。地面の冷却は、多様なボアホール地中熱交換器を用いて行われる。地面からの抽熱のためには、蒸発可能な冷媒が使用されることができ、これらは蒸発によりエネルギーを取得する。この種の直膨式熱交換器(Direktverdampfersonden)は広まりつつある。これらはブライン式熱交換器に比べて、明らかに高められた効率を提供し、かつ専門家社会では将来の技術とみなされる。例えば、プロパン（Ｒ２９０）、ブタン、アンモニア（Ｒ７１７）又は二酸化炭素（Ｒ７４４）をベースとする系があり、その際にプロパンが好ましい。直接利用のための表面近くの地中熱、例えばたいていヒートポンプ加熱としての加熱及び冷却のための地中熱と、熱エネルギー市場における直接利用のため又はまた間接的に発電のための深部地中熱とは、区別される。直膨式システムを備えた深部ボアホール地中熱交換器は、熱パイプ又はヒートパイプとも呼ばれる。
独国特許出願公開(DE-A1)第42 11 576号明細書及び独国実用新案(DE-U1)第298 24 676号明細書には、熱パイプの配置が記載されており、それらの場合に、熱パイプの加熱帯域、そのために液状冷媒の蒸発は、パイプの下部に存在する。蒸気は、液状冷媒の沸騰により発生し；この蒸気はついで再びパイプ中で上へ向かって導かれ、かつ上部で凝縮によりそのエネルギーを放出する。このエネルギーは、直接利用されるか又はヒートポンプの補助に利用される。
国際公開(WO)第01/04550号においては、冷媒は、一方のチャネルを通り熱交換器へ、かつ第二のチャネルを通り上に向かって導かれる。費用をかけて製造されなければならない螺旋状軌道を用いて、フィルム蒸発することを目指している。しかしながら、そこに記載された説明では、冷媒の蒸発は、ボアホールの全長、ひいては熱交換器の全長にわたって達成可能ではないので、完全な抽熱は可能にならない。
独国実用新案(DE-U1)第20 2004 018 559号明細書には、ボアホールから地中熱を採取するための熱発生器が記載されており、その場合に、採放熱管(Sondenrohr)中に凝縮物流分配器が結合されている。同様に全面の湿潤が達成されるはずであるにも拘わらず、フィルム蒸発は実現不可能である。
最後に、独国特許出願公開(DE-A1)第10 2007 005 270号明細書には、採放熱管の壁に対して半径方向及び／又は接線方向に配置された凝縮物誘導装置を備えた凝縮物流分配器を有するボアホール地中熱交換器が記載されている。こうして、半径方向に分配された凝縮物薄膜が発生されるはずである。
欧州特許出願公開(EP-A2)第1 450 142号明細書には、充填剤含有ポリマー原料からなる熱交換管が記載されている。前記管は、熱媒体としての空気の輸送に利用される。
最後に、国際公開(WO)第2008/113569号からは、ボアホール地中熱交換器のための管配置が知られており、その場合に、前記管は、機械的な耐性を高める充填剤又は補強剤を含有するポリマー成形材料製の少なくとも１種の層を有する。そのために、組み立ての際の外部表面の損傷及びその後の割れの成長が防止されるはずである。管配置は、液状熱媒体を輸送するためのものである。
ボアホール地中熱交換器の場合に、採放熱管の全ての内面が均一に湿潤されるように、単純な手段を用いて完全な流下薄膜を発生させるという課題が、本発明の基礎となっている。
この課題は、ボアホールから地中熱を採取するための、直膨式熱交換器として設計されたボアホール地中熱交換器により解決され、その場合に、採放熱管の内部表面が次の粗さ特有値：
ａ）１〜１５μmの範囲内、好ましくは２〜１２μmの範囲内及び特に好ましくは３〜７μmの範囲内のDIN EN ISO 4287による算術平均粗さＲａ、
ｂ）８〜８０μmの範囲内、好ましくは１０〜６０μmの範囲内及び特に好ましくは１５〜４０μmの範囲内のDIN EN ISO 4287による平均高さ粗さＲｚ並びに
ｃ）１０〜５００μmの範囲内、好ましくは１５〜１５０μmの範囲内及び特に好ましくは２５〜６５μmの範囲内のDIN EN ISO 4287による最大高さ粗さＲｚ１max
を有する。
ａ）１〜１５μmの範囲内、好ましくは２〜１２μmの範囲内及び特に好ましくは３〜７μmの範囲内のDIN EN ISO 4287による算術平均粗さＲａ、
ｂ）８〜８０μmの範囲内、好ましくは１０〜６０μmの範囲内及び特に好ましくは１５〜４０μmの範囲内のDIN EN ISO 4287による平均高さ粗さＲｚ並びに
ｃ）１０〜５００μmの範囲内、好ましくは１５〜１５０μmの範囲内及び特に好ましくは２５〜６５μmの範囲内のDIN EN ISO 4287による最大高さ粗さＲｚ１max
を有する。
粗さ測定は、DIN EN ISO 4288に従い輪郭曲線方式(Tastschnittverfahren)において実施される。機械的な触針式表面粗さ測定機を用いる粗さ測定の場合に、ダイヤモンド製の触針先端が、一定の速度で試料の表面全体を運動する。測定輪郭曲線は、触針先端の垂直位置変位から得られ、これは通例、誘導変位計測システムにより把握される。表面の測定技術的な説明のためには、測定輪郭曲線から、規格化された粗さ特有値が取得される。
Ｒａは、全ての輪郭曲線値(Profilwerte)の総計からの算術平均粗さである。
Ｒｚは、５個の個々の測定基準長さからの５個の高さ粗さ値の平均値である。
Ｒｚ１maxは、５個の個々の測定基準長さからの最大高さ粗さである。
ボアホール地中熱交換器は、充填建築材料、例えばベントナイトを介して地面と結合されている採放熱管からなる。冷媒凝縮物の蒸発は、採放熱管の内部表面上で行われる。上に向かっての生じる蒸気の輸送は、その際に管の中心で行われる。
採放熱管の内径は通例、１５〜８０mmの範囲内、好ましくは２０〜５５mmの範囲内及び特に好ましくは２６mm〜３２mmの範囲内である。
熱交換器の長さは、一般的に６０〜２００mであり、その際に個々の場合により長い長さ又はより短い長さも可能である。好ましくは、前記熱交換器は８０〜１２０mの長さである。
冷媒として、例えばプロパン（Ｒ２９０）、ブタン、アンモニア（Ｒ７１７）又は二酸化炭素（Ｒ７４４）が使用される。適した別の冷媒は、例えばプロペン（Ｒ１２７０）、テトラフルオロエタン（Ｒ１３４ａ）、ジフルオロメタン（Ｒ３２）、ペンタフルオロエタン（Ｒ１２５）、２３／２５／５２の比のＲ３２、Ｒ１２５及びＲ１３４ａの混合物（Ｒ４０７Ｃ）又は５０：５０の比のＲ３２及びＲ１２５の混合物（Ｒ４１０Ａ）である。物理学的法則性によれば、熱交換器内部は、そのために、相対的に高い圧力下にある。立ちのぼる冷媒蒸気は、圧縮機中で圧縮され、ひいては液化される。圧縮の際に、凝縮熱が放出され、これが有用熱として導出される。冷却された液状冷媒は、膨張ユニットを経て新たに前記熱交換器に供給され、かつ流下薄膜として下に向かって導かれる。地中熱を採熱しながら、冷媒はこの際に改めて蒸発する。工業的な実施の詳細に関して、前記の技術水準が指摘される。
採放熱管は、例えば金属製であってよい。この場合に、内面は、粗なコーティングを有する。もちろん、ここでは外面も、例えば防食の理由から、コーティングされていてよい。金属は、アルミニウム、アルミニウム合金、鋼、例えば合金鋼、又は他のあらゆる金属であってよい。コーティングは、粉末コーティングによるか又はさらに以下に記載された成形材料の溶融物でのコーティングにより、例えば押出しコーティングを用いて、行われることができる。
しかしながら、好ましくは、前記管は、プラスチック及び特に好ましくは熱可塑性成形材料からなる。この種の管は巻くことができるので、組み立ての際に比較的短い区間を、例えば溶接により互いに結合するという必要がない。
使用される成形材料は、十分な剛さを有していなければならず、そのために壁厚は、熱伝達の理由から、薄く設計されることができる。さらにまた、成形材料のマトリックスを形成するプラスチックは、冷媒並びに地面の水分に対して十分に耐性でなければならない。このことは、壁が膨潤してはならないことを意味する、それというのも、このことは望ましくない長さ変化と結び付いているかもしれないからである。
適したプラスチックは、例えばフルオロポリマー、例えばＰＶＤＦ、ＰＴＦＥ又はＥＴＦＥ、ポリアリーレンエーテルケトン、例えばＰＥＥＫ、ポリオレフィン、例えばポリエチレン又はポリプロピレン並びにポリアミドである。
ポリアミドの中では、特に、モノマー単位が算術平均で少なくとも８個、少なくとも９個もしくは少なくとも１０個の炭素原子を有するものが好ましい。モノマー単位は、ラクタムもしくはω−アミノカルボン酸に由来していてよい。モノマー単位が、ジアミン及びジカルボン酸の組合せに由来する場合には、ジアミン及びジカルボン酸の炭素原子の算術平均は、少なくとも８、少なくとも９もしくは少なくとも１０でなければならない。適したポリアミドは、例えば：ＰＡ６１０（ヘキサメチレンジアミン［炭素原子６個］及びセバシン酸［炭素原子１０個］から製造可能、モノマー単位中の炭素原子の平均はここではそれゆえ８である）、ＰＡ８８（オクタメチレンジアミン及び１，８−オクタン二酸から製造可能）、ＰＡ８（カプリルラクタムから製造可能）、ＰＡ６１２、ＰＡ８１０、ＰＡ１０８、ＰＡ９、ＰＡ６１３、ＰＡ６１４、ＰＡ８１２、ＰＡ１２８、ＰＡ１０１０、ＰＡ１０、ＰＡ８１４、ＰＡ１４８、ＰＡ１０１２、ＰＡ１１、ＰＡ１０１４、ＰＡ１２１２及びＰＡ１２である。ポリアミドの製造は技術水準である。もちろん、これらをベースとするコポリアミドも使用されることができ、その際に場合によりカプロラクタムのようなモノマーも共に使用されることができる。
同じように、十分な相溶性を前提として、異なるポリアミドの混合物も使用されることができる。相溶性のポリアミドの組合せは当業者に知られている；例えば、ここでは、ＰＡ１２／ＰＡ１０１２、ＰＡ１２／ＰＡ１２１２、ＰＡ６１２／ＰＡ１２、ＰＡ６１３／ＰＡ１２、ＰＡ１０１４／ＰＡ１２及びＰＡ６１０／ＰＡ１２の組合せ並びにＰＡ１１との相応する組合せを挙げることができる。疑わしい場合には、相溶性の組合せは、ルーチン実験により求めることができる。
熱可塑性成形材料は、強化用繊維及び／又は充填剤で充填されていてよい。表面上で押しつぶされる繊維もしくは充填剤粒子は、これにより必要な粗さを発生させる。このためには、成形材料は、充填剤及び／又は繊維を０．１〜５０質量％、好ましくは０．５〜２０質量％及び特に好ましくは３〜１０質量％含有する。一実施態様において、成形材料はこの場合に繊維のみを含有する。他の一実施態様において、成形材料は充填剤のみを含有する。さらなる一実施態様において、成形材料は、繊維と充填剤との混合物を含有する。
適した強化用繊維は、例えばガラス繊維、玄武岩繊維、炭素繊維、アラミド繊維及びチタン酸カリウムウィスカー、並びにより高融点のポリマー製繊維である。
充填剤として、例えば二酸化チタン、硫化亜鉛、ケイ酸塩、白亜、酸化アルミニウム及びガラスビーズが適している。
適した強化用繊維もしくは充填剤を用いて、熱交換器壁の熱伝導率が高められることができる。このためには、繊維材料として金属繊維が、もしくは充填剤として金属粉末、カーボンブラック、グラファイト、ＣＮＴｓ（カーボンナノチューブ）、六方晶窒化ホウ素又は異なる材料の組合せもしくは混合物も使用されることができる。
成形材料はさらにまた常用の助剤もしくは添加剤、例えば耐衝撃性改良剤、可塑剤、安定剤及び／又は加工助剤を含有していてよい。
さらなる一実施態様において、表面粗さは、第二のポリマーの配合により発生され、このポリマーはマトリックスポリマーと不相溶性であるか又は僅かにのみ相溶性であり、故に相対的に粗大にのみ分散される。適した材料の組合せは、例えばポリアミド／ポリプロピレンもしくはポリアミド／エチレン−アクリルエステル−アクリル酸コポリマー／ポリプロピレンである。
採放熱管は、一実施態様において一層であってよく、ひいては全壁厚にわたって前記の成形材料の１種からなっていてよい。さらなる一実施態様において、採放熱管は多層であり、その際に内層は、上記の成形材料の１種からなり、かつ他の層は、表面の粗な成形材料からなる層により十分に利用されない機能、例えばフレキシビリティー、衝撃強さ又は冷媒もしくは地面の水分に対するバリヤー作用を有する。層が、十分に互いに接着しない場合には、技術水準に従い、接着促進剤(Haftvermittler)が使用されることができる。
内側から外側への適した層順序は、例えば：
・ポリアミド（例えばＰＡ１２）／接着促進剤／ポリプロピレン又はポリエチレン；
・ポリアミド（例えばＰＡ１２）／接着促進剤／エチレン−ビニルアルコール−コポリマー（ＥＶＯＨ）／接着促進剤／ポリアミド；
・ポリアミド／接着促進剤／ＥＶＯＨ／接着促進剤／ポリプロピレン又はポリエチレン；
・ポリアミド／接着促進剤／フルオロポリマー（例えばＰＶＤＦ又はＥＴＦＥ）；
・ポリアミド／接着変性フルオロポリマー；
・ポリアミド／接着促進剤／ポリブチレン−２，６−ナフタラート／接着促進剤／ポリアミド
である。
・ポリアミド（例えばＰＡ１２）／接着促進剤／ポリプロピレン又はポリエチレン；
・ポリアミド（例えばＰＡ１２）／接着促進剤／エチレン−ビニルアルコール−コポリマー（ＥＶＯＨ）／接着促進剤／ポリアミド；
・ポリアミド／接着促進剤／ＥＶＯＨ／接着促進剤／ポリプロピレン又はポリエチレン；
・ポリアミド／接着促進剤／フルオロポリマー（例えばＰＶＤＦ又はＥＴＦＥ）；
・ポリアミド／接着変性フルオロポリマー；
・ポリアミド／接着促進剤／ポリブチレン−２，６−ナフタラート／接着促進剤／ポリアミド
である。
ポリアミドと、ポリオレフィンとの結合に適した接着促進剤は、例えば無水マレイン酸で官能化されたポリオレフィンである。
ポリアミド、例えばＰＡ１２と、ＥＶＯＨとは、例えばマレイン酸官能化ポリオレフィンを用いて又はポリアミドブレンドを用いて、欧州特許出願公開(EP-A2)第1 216 826号明細書に相応して、互いに結合されることができる。
ＥＶＯＨと、ポリオレフィンとの結合のためには、例えば、マレイン酸官能化ポリオレフィンが接着促進剤として適している。
ポリアミドと、フルオロポリマーとの結合用の接着促進剤は、例えば欧州特許出願公開(EP-A1)第0 618 390号明細書から知られているのに対し、接着変性フルオロポリマーは、例えば欧州特許出願公開(EP-A1)第0 637 511号明細書に相応して少量のポリグルタルイミドの混合により、欧州特許出願公開(EP-A1)第0 992 518号明細書に相応して無水マレイン酸での官能化によるか又はカーボネート基の組み込みにより、製造されることができる。
表面粗さの作用を補助するために、採放熱管は、技術水準、例えば独国特許出願公開(DE-A1)第10 2007 005 270号明細書から知られているような、内部構造物を付加的に有していてよい。
本発明を用いて、流下薄膜が、熱交換器周囲にわたって均一な層厚を有することが達成され；層の形成(Straehnenbildung)又は薄膜の割れは防止される。拡大された表面積のために、より良好な熱交換が可能であり；同時に、流量は低下され、このことは熱交換器の最下部のあふれを阻止する。
Claims (8)
- ボアホールから地中熱を採取するための、直膨式熱交換器として設計されているボアホール地中熱交換器であって、
採放熱管の内部表面が次の粗さ値：
ａ）１〜１５μmの範囲内のDIN EN ISO 4287による算術平均粗さＲａ、
ｂ）８〜８０μmの範囲内のDIN EN ISO 4287による平均高さ粗さＲｚ並びに
ｃ）１０〜５００μmの範囲内のDIN EN ISO 4287による最大高さ粗さＲｚ１max
を有し、ここで粗さ測定はDIN EN ISO 4288により実施される、
ボアホール地中熱交換器。 - Ｒａが２〜１２μmの範囲内であり、Ｒｚが１０〜６０μmの範囲内であり、かつＲｚ１maxが１５〜１５０μmの範囲内である、請求項１記載のボアホール地中熱交換器。
- Ｒａが３〜７μmの範囲内であり、Ｒｚが１５〜４０μmの範囲内であり、かつＲｚ１maxが２５〜６５μmの範囲内である、請求項１記載のボアホール地中熱交換器。
- 採放熱管が１つ又はそれ以上の層からなり、前記層はそれぞれ熱可塑性成形材料からなる、請求項１から３までのいずれか１項記載のボアホール地中熱交換器。
- 採放熱管又は採放熱管の最内層は、マトリックスがフルオロポリマー、ポリアリーレンエーテルケトン、ポリオレフィン又はポリアミド製の成形材料からなる、請求項４記載のボアホール地中熱交換器。
- 採放熱管又は採放熱管の最内層が、強化用繊維及び／又は充填剤０．１〜５０質量％を含有する成形材料からなる、請求項４及び５のいずれか１項記載のボアホール地中熱交換器。
- 採放熱管が金属製であり、その際に内面が、粗なコーティングを有する、請求項１から３までのいずれか１項記載のボアホール地中熱交換器。
- ボアホールから地中熱を採取するための、請求項１から７までのいずれか１項記載のボアホール地中熱交換器の使用であって、
・蒸発可能な冷媒を使用し、
・立ちのぼる冷媒蒸気を圧縮機中で圧縮及び液化し、かつ凝縮熱を有用熱として導出し、かつ
・冷却された液状冷媒を改めて前記熱交換器に供給し、かつ流下薄膜として下に向かって導く、
ボアホール地中熱交換器の使用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| A621 | Written request for application examination |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621 Effective date: 20131008 |
|
| A761 | Written withdrawal of application |
Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A761 Effective date: 20140121 |