JP2014122712A - 地中熱交換器 - Google Patents

Abstract

【課題】地下水を地上に汲み上げることなく、高効率の熱交換を行うことが可能な、地中熱交換器を提供すること。
【解決手段】地中熱交換器は、流体吹込管と流体圧送手段と圧力調整手段とを備えている。流体吹込管は、ケーシングの内側の空間内に収容された管状部材であって、蓋体を貫通するとともに熱交換部における底部の深さ（すなわちケーシングにおける下端部に設けられたメッシュ部の深さ）まで到達するように設けられている。この流体吹込管は、流体噴出開口を有している。この流体噴出開口は、熱交換部における底部の近傍にて空気等の流体を噴出することで、ケーシングの内側の空間内の地下水に流体を吹込むように形成されている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、地中熱を利用する、地中熱交換器に関する。

上述の地中熱交換器を備えたシステムとして、熱交換効率の良さや装置コストの低さ等の観点から、地下水を地上に汲み上げて熱源（加熱用又は冷却用）として用いるものが、従来多数提案されている。また、この種のシステムにおいて、地下水の汲み上げによる地盤沈下を抑制するために、汲み上げた地下水を再び地下帯水層に還元するように構成されたものも従来多数提案されている（例えば、特開２００２−５４８５７号公報、特開２００４−３１７１０２号公報、等参照。）。

特開２００２−５４８５７号公報 特開２００４−３１７１０２号公報

しかしながら、特に地盤沈下の懸念が高い地域においては、汲み上げた地下水を再び地下帯水層に還元するか否かに拘わらず、法令により厳格な揚水規制が設定されている。特に、吐出口断面積等の装置仕様によっては、設置が禁止されることもある。すなわち、地域によっては、「井戸」あるいは「揚水設備」を設けること自体に対して、厳格な規制が設けられている。このため、従来のこの種のシステムにおいては、所望の仕様のものが設置できなくなったり、規模を縮小せざるを得なくなること等のために所望の性能が得られなくなったりする問題があった。また、揚水規制が設けられていない地域にこの種のシステムが設置される場合であっても、近年における更なる省エネの要請に鑑みて、熱交換効率をよりいっそう向上させるという要求がある。

本発明は、上述のような事情等に鑑みてなされたものである。すなわち、本発明の目的は、より高効率の熱交換を行うことが可能な、地中熱交換器を提供することにある。

本発明の地中熱交換器は、ケーシングと、蓋体と、熱交換部と、を備えている。

前記ケーシングは、筒状部材であって、少なくとも一端が開口する（典型的には両端が開口する）ように形成されている。このケーシングは、前記一端である地表側の上端が開口するように、地面に掘削された縦穴内に埋設されている。また、このケーシングには、熱源としての地下水が通過可能なメッシュ部が形成されている。このメッシュ部は、少なくとも、地下帯水層に対応する下端部（前記一端とは反対側の端部）に設けられている。なお、前記メッシュ部は、前記ケーシングにおける前記下端部よりも上方にも設けられ得る。この場合、複数の前記メッシュ部は、深度の異なる複数の前記地下帯水層のそれぞれに対応するように設けられ得る。

前記蓋体は、前記ケーシングにおける前記上端の開口部を閉塞するように、当該開口部に装着されている。この蓋体は、典型的には、板状部材であって、前記開口部を略密閉状態に閉塞するように設けられている。

前記熱交換部は、管状部材である。典型的には、前記熱交換部は、前記ケーシングの軸線方向に沿った長手方向を有するＵ字管であって、Ｕ字状に屈曲された部分が底部となるように設けられている。この熱交換部は、前記蓋体を貫通するとともに、前記底部が前記ケーシングにおける前記下端部に設けられた前記メッシュ部の深さまで到達するように、当該ケーシングの内側の空間内に収容されている。そして、この熱交換部は、外表面が前記地下水と接触するとともに内部にて熱媒体が液密的に（すなわち前記地下水側に漏れ出さないように）収容されつつ通流することで、前記ケーシングの内側の前記空間内の前記地下水と前記熱媒体との間の熱交換を行うように構成されている。

本発明の特徴は、前記地中熱交換器が、さらに、流体吹込管と、流体圧送手段と、圧力調整手段と、を備えていることにある。

前記流体吹込管は、前記ケーシングの内側の前記空間内に収容された管状部材であって、前記蓋体を貫通するとともに前記熱交換部における前記底部の深さ（すなわち前記ケーシングにおける前記下端部に設けられた前記メッシュ部の深さ）まで到達するように設けられている。この流体吹込管は、流体噴出開口を有している。この流体噴出開口は、前記熱交換部における前記底部の近傍にて流体を噴出することで、前記ケーシングの内側の前記空間内の前記地下水に前記流体を吹込むように形成されている。

前記流体圧送手段は、前記流体吹込管に前記流体を送出するように、当該流体吹込管における前記流体噴出開口とは反対側の端部に接続されている。なお、前記流体としては、気体あるいは液体が用いられ得る。気体としては、例えば、（圧搾）空気や不活性ガス（窒素ガスやアルゴンガス等）が好適に用いられ得る。前記流体として気体が用いられる場合、前記流体吹込管、前記流体噴出開口、及び前記流体圧送手段は、それぞれ、気体吹込管、気体噴出開口、及び気体圧送手段と称され得る。特に、前記流体として（圧搾）空気が用いられる場合、前記流体吹込管、前記流体噴出開口、及び前記流体圧送手段は、それぞれ、空気吹込管、空気噴出開口、及び空気圧送手段と称され得る。

本発明の地中熱交換器は、流体還流手段をさらに備え得る。この流体還流手段は、前記ケーシングの内側の前記空間から前記流体圧送手段に前記流体を還流するように設けられている。具体的には、例えば、前記流体として気体が用いられる場合、前記流体還流手段は、前記ケーシングの内側の前記空間における前記蓋体よりも下方且つ水位よりも上方（以下、「上方空間」と称する。）から前記流体圧送手段に気体を還流（環流）するように設けられている。この場合、前記流体圧送手段は、前記流体還流手段によって還流された気体を含めて、前記流体としての気体を、前記流体吹込管に送出するようになっている。なお、この場合、前記流体還流手段は、気体還流手段あるいは空気還流手段とも称され得る。

前記圧力調整手段は、前記ケーシングの内側の前記空間内すなわち前記上方空間内における気体の圧力を調整するように設けられている。具体的には、例えば、前記圧力調整手段は、前記蓋体に形成された貫通孔等の気体通路として設けられ得る。あるいは、前記圧力調整手段は、気体排出管と、調圧弁と、を備えている。前記気体排出管は、前記蓋体を貫通することで、前記上方空間と外部（地表側の外気）とを連通可能に設けられている。前記調圧弁は、前記気体排出管に装着されている。なお、前記流体として（圧搾）空気が用いられる場合、前記気体排出管は、空気排出管とも称され得る。

かかる構成を有する本発明の地中熱交換器においては、前記熱交換部に前記熱媒体が供給されることで、当該熱交換部に前記熱媒体が流入する。一方、前記熱交換部における前記地下水との熱交換を経た前記熱媒体は、当該熱交換部から排出されて、熱を利用する各種装置（ヒートポンプや融雪装置等）に供給される。ここで、本発明の地中熱交換器の構成においては、前記熱交換部における熱交換は、以下のようにして行われる。

前記熱交換部の前記外表面が、前記ケーシングの内側の前記空間内に収容された前記地下水と接触する。これとともに、前記熱交換部の前記内部にて、前記熱媒体（これは前記熱交換部から前記地下水側に漏れ出さないように当該熱交換部内にて液密的に収容されている）が通流する。これにより、前記地下水と前記熱媒体との間の熱交換が、当該熱交換部を介して行われる。

このとき、本発明においては、前記流体吹込管における前記流体噴出開口から前記流体が前記地下水に吹き込まれることで、前記熱交換部における前記外表面の近傍の前記地下水が、良好に流動（対流、撹拌あるいは循環とも云い得る）する。この場合の、前記地下水と前記熱媒体との間の熱交換の態様は、従来の「自然対流」的なものとは異なり、「強制対流」的なものとなる。したがって、本発明によれば、熱交換効率が従来よりも向上する。

具体的には、例えば、前記流体として気体が用いられた場合、前記流体吹込管における前記流体噴出開口から前記流体としての気体が前記地下水に吹き込まれることで、当該地下水中に気泡が生じる。この気泡は、前記熱交換部における前記底部の近傍にて発生し、その後、前記ケーシングの内側の前記空間内を上昇する。すなわち、前記ケーシングの内側の前記空間内に貯留された、前記熱交換部における前記外表面と対向（接触）する前記地下水中を、気泡が上昇する。この気泡の上昇に伴って、前記熱交換部における前記外表面の近傍の前記地下水が、良好に流動する。したがって、この場合、熱交換効率が従来よりも格段に向上する。

また、前記流体噴出開口から前記流体が吹き込まれる一方で、前記圧力調整手段により、前記ケーシングの内側の前記空間内（前記上方空間内）における気体の圧力が調整される。このため、前記ケーシングにおける前記上端の前記開口部からの、前記地下水の噴出が、良好に抑制される。すなわち、本発明の構成によれば、特に前記流体として気体が用いられたような場合に、高効率の熱交換を行うことが、前記地下水を地上に汲み上げることなく実現可能となる。したがって、このような場合、本発明の地中熱交換器は、「井戸」あるいは「揚水設備」に該当しなくなることで、厳格な揚水規制が設定されている地域においても所望の性能・仕様のものを設置することが可能になる。

なお、複数の前記メッシュ部が、それぞれ深度の異なる前記地下帯水層に対応するように設けられた場合、前記ケーシングの内側の前記空間内における、前記地下水の流動（循環）が、よりいっそう良好に行われる。したがって、この場合、熱交換効率が、よりいっそう向上する。

ところで、前記流体として気体が用いられた場合、前記地下水に吹き込まれた気体の温度は、（前記流体噴出開口から噴出された当初は外気温近辺であっても）前記地下水内を上昇中に、徐々に当該地下水の温度寄りに変化する。そして、当該地下水寄りに温度が変化した気体は、その後前記上方空間内に滞留する。すると、前記上方空間内に滞留した気体の温度は、当該地中熱交換器の運転中に、外気温と、前記地下帯水層の近辺における前記地下水の温度と、の間となる。

この点、前記流体還流手段が設けられている場合、前記上方空間内に滞留した（外気温よりも前記地下水の温度寄りの温度となった）気体は、前記流体還流手段によって、前記流体圧送手段に還流（送出）される。このようにして前記上方空間から前記流体圧送手段に還流された気体は、当該流体圧送手段によって前記流体吹込管に送出される。すなわち、かかる構成においては、前記流体噴出開口から噴出される気体の少なくとも一部は、前記上方空間と前記流体圧送手段との間で循環されたものとなる。

このように、前記上方空間内の気体を前記流体圧送手段に還流することで、当該地中熱交換器の運転中に、前記上方空間内の気体の温度が、前記地下帯水層の近辺における前記地下水の温度にいっそう近づく。すると、前記流体圧送手段によって前記流体吹込管に送出され前記流体噴出開口から噴出される気体の温度も、前記地下帯水層の近辺における前記地下水の温度にいっそう近づく。したがって、かかる構成によれば、前記地下水と前記熱媒体との間で交換されるべき熱の一部が当該熱媒体と気体（気泡）との熱交換に消費されてしまうことが良好に抑制され、以て熱交換効率がよりいっそう向上する。なお、前記流体として液体が用いられた場合においても、還流によって同様の効果が期待できる。

本発明の一実施形態に係る地中熱交換器の概略構成を示す側断面図である。 図１に示された地中熱交換器の一変形例の概略構成を示す側断面図である。 図１に示された地中熱交換器の他の一変形例の概略構成を示す側断面図である。 図１に示された地中熱交換器のさらに他の一変形例の概略構成を示す側断面図である。 図１に示された地中熱交換器のさらに他の一変形例の概略構成を示す側断面図である。 図１に示された地中熱交換器のさらに他の一変形例の概略構成を示す側断面図である。

＜構成＞
以下、本発明を具体化した一実施形態について、図面を参照しつつ説明する（変形例は末尾にまとめて記載する）。図１に示されているように、地面１０には、縦穴１１が掘削されている。本実施形態においては、地面１０は、地表１２から遠い順に、下部帯水層１３、難透水層１４、上部帯水層１５、及び上部非帯水層１６を有しているものとする。縦穴１１は、下部帯水層１３に達する深さに形成されている。また、本実施形態においては、縦穴１１からは地下水１７は地上に汲み上げられないので、当該縦穴１１内の水位１８は自然水位と略一致するように形成されている。また、縦穴１１の内側の空間であって、水位１８よりも上方（すなわち地表１２と水位１８との間）には、上方空間１９が形成されている。

本発明の一実施形態に係る地中熱交換器２０は、ケーシング２１と、蓋体２２と、熱交換部２３と、流体吹込管２４と、流体圧送手段２５と、圧力調整手段２６と、制御部２７と、を備えている。

ケーシング２１は、中心軸線Ｃに沿った長手方向を有する筒状部材であって、当該中心軸線Ｃが鉛直方向と略平行となるように縦穴１１内に埋設されている。本実施形態においては、ケーシング２１は、長手方向における両端側が開口するように形成されている。ケーシング２１の内側の空間内には、土砂や砂利は収容されていない一方、自然水位と略一致する水位１８を形成する熱源としての地下水１７が収容されている。

ケーシング２１における地表１２側の開口部である上端開口部２１１には、蓋体２２が装着されている。蓋体２２は、平面視にて略円形の板状部材であって、上端開口部２１１を略密閉状態（すなわち気密的）に閉塞するように形成されている。また、ケーシング２１における上端開口部２１１の近傍には、蓋体２２を係止するための係止部２１２が、ケーシング２１の内側の空間に向かって突出するように設けられている。

ケーシング２１の下端部２１３（下端開口部２１４側の端部）であって、下部帯水層１３に対応する位置には、メッシュ部２１５が設けられている。メッシュ部２１５には、土砂等の固形物が通過困難な一方で地下水１７が通過可能な貫通孔であるメッシュ開口部２１６が、多数形成されている。なお、本実施形態においては、ケーシング２１における下端部２１３よりも上方であって上部帯水層１５に対応する位置にも、メッシュ部２１５が設けられている。すなわち、複数のメッシュ部２１５が、互いに深度の異なる複数の地下帯水層のそれぞれに対応するように設けられている。

熱交換部２３は、中心軸線Ｃに沿った長手方向を有するＵ字管であって、Ｕ字状に屈曲された部分である屈曲部２３１が底部としてケーシング２１の下端部２１３におけるメッシュ部２１５の深さに到達するとともに、当該屈曲部２３１とは反対側の端部が蓋体２２を貫通するように設けられている。すなわち、熱交換部２３は、その大部分が地下水１７内に浸漬されるように、ケーシング２１の内側の空間内に収容されている。なお、熱交換部２３を貫通させるために蓋体２２に形成された貫通孔と、当該熱交換部２３の外壁面２３２と、の接合部は、略密閉状態（すなわち気密的）に閉塞されている。

熱交換部２３の内側には、液体状の熱媒体Ｈ（ブライン等）が液密的に収容されつつ通流するための空間である熱媒体通路２３３が形成されている。そして、熱交換部２３は、地下水１７がステンレス鋼等の耐食性の金属からなる管壁２３４の外壁面２３２と接触するとともに熱媒体Ｈが管壁２３４の内側の熱媒体通路２３３内を通流することで、管壁２３４を介して地下水１７と熱媒体Ｈとの間の熱交換を行うように構成されている。

流体吹込管２４は、一端側（吹込管下端部２４１側）が閉塞された円管状の部材であって、吹込管下端部２４１がケーシング２１の下端部２１３におけるメッシュ部２１５の深さ（すなわち熱交換部２３における屈曲部２３１の深さ）に到達するとともに、当該吹込管下端部２４１とは反対側の端部である接続部２４２が蓋体２２を貫通して外部（地表１２側）に突出するように設けられている。この接続部２４２は、流体吹込管２４に圧搾空気を送出するための流体圧送手段２５（コンプレッサ等を備えている）に接続されている。なお、流体吹込管２４を貫通させるために蓋体２２に形成された貫通孔と、当該流体吹込管２４の外壁面と、の接合部は、略密閉状態（すなわち気密的）に閉塞されている。

さらに、吹込管下端部２４１の側面には、多数の貫通孔（流体噴出開口２４３）が形成されている。流体噴出開口２４３は、熱交換部２３における底部（屈曲部２３１）の近傍にて空気を噴出することで、ケーシング２１の内側の空間内の地下水１７に空気を吹込むように設けられている。すなわち、流体吹込管２４は、流体圧送手段２５によって供給された圧搾空気を流体噴出開口２４３から噴出することで、熱交換部２３における底部（屈曲部２３１）の近傍にて多数の気泡を発生させるように構成されている。

圧力調整手段２６は、ケーシング２１の内側且つ蓋体２２よりも下方の上方空間１９（以下、単に「上方空間１９」と称する。）内における気体（空気）の圧力を調整することで、地下水１７の地表１２側への噴出を抑制（防止）するように設けられている。制御部２７は、マイクロコンピュータやスイッチ類等を有する、いわゆる制御盤であって、地中熱交換器２０全体の動作状態を制御するように設けられている。

本実施形態においては、具体的には、圧力調整手段２６は、気体排出管２６１と、調圧弁２６２と、を備えている。気体排出管２６１は、円管状の部材であって、蓋体２２を貫通するように設けられている。なお、気体排出管２６１を貫通させるために蓋体２２に形成された貫通孔と、当該気体排出管２６１の外壁面と、の接合部は、略密閉状態（すなわち気密的）に閉塞されている。気体排出管２６１は、一方の端部が上方空間１９内にて開口するとともに、他方の端部が外部（地表１２側）にて開口するように設けられている。調圧弁２６２は、所定圧力にて自動的に開弁動作する、いわゆる自動空気抜き弁であって、気体排出管２６１における外気側の端部寄りに装着されている。

なお、本実施形態においては、圧力調整手段２６は、地下水１７の地表１２側への噴出をより確実に防止するために、さらに補助気体排出管２６３及び安全弁２６４を備えている。補助気体排出管２６３も、気体排出管２６１と同様に、円管状の部材であって、上方空間１９と外部（地表１２側の外気）とを連通可能に設けられている。安全弁２６４は、調圧弁２６２の開弁圧力よりも高い所定圧力にて作動する弁であって、補助気体排出管２６３における外気側の端部寄りに装着されている。
＜作用・効果＞
かかる構成を有する、本実施形態の地中熱交換器２０においては、熱交換部２３に熱媒体Ｈが供給されることで、当該熱交換部２３に熱媒体Ｈが流入する。一方、熱交換部２３における地下水１７との熱交換を経た熱媒体Ｈは、当該熱交換部２３から排出されて、熱を利用する各種装置（ヒートポンプや融雪装置等）に供給される。ここで、熱交換部２３における熱交換は、以下のようにして行われる。

熱交換部２３における管壁２３４の外壁面２３２が、ケーシング２１の内側の空間内に収容された地下水１７と接触する。これとともに、管壁２３４の内側の熱媒体通路２３３内を熱媒体Ｈが通流する。これにより、地下水１７と熱媒体Ｈとの間の熱交換が、熱交換部２３における管壁２３４を介して行われる。

このとき、流体吹込管２４における流体噴出開口２４３から気体（空気）が地下水１７に吹き込まれることで、当該地下水１７中に気泡が生じる。この気泡は、熱交換部２３における底部の近傍（屈曲部２３１の近傍）にて発生し、その後、ケーシング２１の内側の空間内を上方空間１９に向かって上昇する。すなわち、ケーシング２１の内側の空間内に貯留された、熱交換部２３における外壁面２３２と対向（接触）する地下水１７中を、気泡が上昇する。この気泡の上昇に伴って、熱交換部２３における外壁面２３２の近傍の地下水１７が、良好に流動（対流、撹拌あるいは循環とも云い得る）する。この場合の、地下水１７と熱媒体Ｈとの間の熱交換の態様は、従来の「自然対流」的なものとは異なり、「強制対流」的なものとなる。さらに、地下水１７への空気の吹き込みによって地下水１７の水位１８が自然水位よりも（地表１２側に地下水１７が溢れ出さない範囲で若干量）上昇する効果も期待でき、これにより、熱交換部２３の外壁面２３２における熱交換に寄与する面積が拡大する。したがって、かかる構成によれば、熱交換効率が従来よりも格段に向上する。

特に、外気温が低い冬季等においては、流体噴出開口２４３にて発生した気泡は、比較的高温の地下水１７から受熱することで膨張する。すると、当該気泡の上昇が促進され、これにより地下水１７の流動も促進される。したがって、流体圧送手段２５の出力を比較的低減させても、良好な熱交換効率が達成され得る。一方、外気温が高い夏季等においては、流体吹込管２４の材質として断熱性の良好なものを採用することで、流体圧送手段２５による圧送時の圧縮による若干の温度上昇と相まって、比較的高温の空気を流体噴出開口２４３にて噴出させることができる。これにより、比較的高温の気泡が熱交換部２３における底部の近傍にて発生し、以て熱交換部２３における底部の近傍での地下水１７と熱媒体Ｈとの熱交換が良好に促進される。

さらに、本実施形態においては、複数のメッシュ部２１５が、それぞれ深度の異なる下部帯水層１３及び上部帯水層１５に対応するように設けられている。これにより、ケーシング２１の内側の空間内において、地下水１７の流動（循環）が、良好に行われる。したがって、熱交換効率が、従来よりも、よりいっそう向上する。

ところで、流体噴出開口２４３からの空気の吹き込みにより、上方空間１９内の空気の圧力が上昇する。この点、本実施形態の構成においては、上方空間１９内の空気の圧力が所定圧力に達すると、調圧弁２６２が自動的に開弁する。これにより、上方空間１９内の空気の圧力が、当該所定圧力以下に抑えられるように適宜調整される。また、上方空間１９内の空気の圧力が急激に上昇したり、調圧弁２６２が故障したりしたような場合であっても、調圧弁２６２の開弁圧力よりも高い所定圧力で自動的に開弁する安全弁２６４が設けられているため、圧力の過度の上昇が良好に防止される。このため、ケーシング２１における上端開口部２１１からの地下水１７の噴出が、良好に抑制される。すなわち、本実施形態の構成によれば、高効率の熱交換を行うことが、地下水１７を地上に汲み上げることなく実現可能となる。したがって、本実施形態の地中熱交換器２０は、「井戸」あるいは「揚水設備」に該当しなくなることで、厳格な揚水規制が設定されている地域においても所望の性能・仕様のものを設置することが可能になる。

＜変形例＞
なお、上述の実施形態は、出願人が取り敢えず本願の出願時点において最良であると考えた本発明の代表的な実施形態を、単に例示したものにすぎない。よって、本発明はもとより上述の実施形態に何ら限定されるものではない。したがって、本発明の本質的部分を変更しない範囲内において、上述の実施形態に対して種々の変形が施され得ることは、当然である。

以下、代表的な変形例について、幾つか例示する。以下の変形例の説明において、上述の実施形態にて説明されているものと同様の構成及び機能を有する部材に対しては、上述の実施形態と同様の符号が用いられ得るものとする。そして、かかる部材の説明については、技術的に矛盾しない範囲内において、上述の実施形態における説明が援用され得るものとする。もっとも、言うまでもなく、変形例とて、以下に列挙されたものに限定されるものではない。また、上述の実施形態及び複数の変形例のうちの全部又は一部の構成が、技術的に矛盾しない範囲内において、適宜、複合的に適用され得る。

ケーシング２１は、上端開口部２１１のみが開口している一方で下端部２１３側の端縁（メッシュ部２１５を除く）は閉塞されていてもよい。また、図１において、熱交換部２３は複数設けられていてもよい。この場合、複数の熱交換部２３は、平面視にて流体吹込管２４を取り囲むように設けられ得る。あるいは、流体吹込管２４は、複数設けられていてもよい。

下部帯水層１３と上部帯水層１５との間に更なる地下帯水層が存在する場合、当該地下帯水層に対応する位置にもメッシュ部２１５が設けられてもよい。逆に、上部帯水層１５が存在しない場合、図２に示されているように、メッシュ部２１５は、下部帯水層１３に対応する下端部２１３にのみ設けられていてもよい。

熱交換部２３や流体吹込管２４の構成（形状・構造）も、上述の実施形態にて示された具体例に何ら限定されない。例えば、熱交換部２３は、Ｕ字管に限定されない。また、流体吹込管２４は、図１の熱交換部２３と同様のＵ字管状であってもよい。この場合、屈曲部及びその近傍に流体噴出開口２４３が設けられ得る。

図２に示されているように、流体吹込管２４における下端には、流体吹込部２４４が、側方に延出するように設けられていてもよい。この場合、流体吹込部２４４は、例えば、管状、あるいは円盤状（直径に対して高さが非常に小さい円柱状）に形成されていて、熱交換部２３の下端よりも下方から当該下端に向かって空気を上方に噴出するように構成され得る。

ところで、地下水１７に吹き込まれた空気の温度は、（流体噴出開口２４３から噴出された当初は外気温近辺であっても）地下水１７内を上昇中に、徐々に当該地下水１７の温度寄りに変化する。そして、地下水１７寄りに温度が変化した空気は、その後上方空間１９内に滞留する。すると、上方空間１９内に滞留した空気の温度は、当該地中熱交換器２０の運転中に、外気温と、地下帯水層（下部帯水層１３）の近辺における地下水１７の温度と、の間となる。

この点、図２に示されているように、気体排出管２６１を流体圧送手段２５に接続することで、上方空間１９内に滞留した（外気温よりも地下水１７の温度寄りの温度となった）空気は、流体圧送手段２５に還流（送出）される。このようにして上方空間１９から流体圧送手段２５に還流された空気は、当該流体圧送手段２５によって流体吹込管２４に送出される。すなわち、かかる構成においては、流体噴出開口２４３から噴出される空気の一部は、上方空間１９と流体圧送手段２５との間で循環されたものとなる。

このように、上方空間１９内の空気を流体圧送手段２５に還流することで、当該地中熱交換器２０の運転中に、上方空間１９内の空気の温度が、地下帯水層（下部帯水層１３）の近辺における地下水１７の温度にいっそう近づく。すると、流体圧送手段２５によって流体吹込管２４に送出され流体噴出開口２４３から噴出される空気の温度も、地下帯水層（下部帯水層１３）の近辺における地下水１７の温度にいっそう近づく。したがって、かかる構成によれば、地下水１７と熱媒体Ｈとの間で交換されるべき熱の一部が当該熱媒体Ｈと気体（気泡）との熱交換に消費されてしまうことが良好に抑制され、以て熱交換効率がよりいっそう向上する。なお、かかる構成においては、上方空間１９内にて水位１８の過剰な上昇（地下水１７が地表１２側に溢れ出すような程度の上昇）を招来するような負圧が発生しない限り、調圧弁２６２は適宜省略され得る。

図１に示されている気体排出管２６１に代えて、図３に示されているように、蓋体２２に設けられた貫通孔である抜気貫通孔２６５が用いられてもよい。かかる抜気貫通孔２６５は、上方空間１９と外部（地表１２側の外気）とを連通可能に形成されている。この場合、図３に示されているように、上方空間１９内の気体の圧力に応じて抜気貫通孔２６５を開閉するための調圧弁２６６が蓋体２２に装着されていてもよい。

あるいは、流体圧送手段２５の最高出力等の装置仕様によっては、図３における調圧弁２６６は省略され得る（図４参照）。この場合、図４に示されているように、抜気貫通孔２６５は複数設けられていてもよい。あるいは、この場合、抜気貫通孔２６５に代えて、蓋体２２とケーシング２１における上端開口部２１１との接合部に形成された気体通路（隙間）が用いられてもよい。

上方空間１９内の気体の圧力を測定するための圧力センサが設けられていてもよい。この圧力センサは、例えば、蓋体２２に装着され得る。このような構成においては、圧力センサの出力に基づいて、上方空間１９内の気体の圧力を調整するための各種の動作（流体圧送手段２５の駆動状態等）が、制御部２７によって制御され得る。具体的には、例えば、上方空間１９内の気体の圧力が所定値に達した場合に、流体圧送手段２５の駆動が停止され得る。かかる所定値としては、例えば、調圧弁２６２の開弁圧と安全弁２６４の開弁圧との中間の値が用いられ得る。あるいは、調圧弁２６２は、制御部２７によって開閉制御される電磁弁であってもよい。

本発明における「流体」は、（圧搾）空気に限定されない。すなわち、例えば、窒素ガスやアルゴンガス等の不活性ガスが利用可能である。あるいは、例えば、水やシリコンオイル等の液体も利用可能である。不活性ガスや液体が用いられた場合、各部（熱交換部２３等の配管部、地下水１７、土壌、等）の酸化が良好に防止あるいは抑制され得る。なお、空気以外の流体が用いられる場合には、図５に示されているように、流体圧送手段２５には、当該流体を供給するためのガスボンベやガス発生装置等の流体供給源２８０が接続される。

また、当該流体が回収可能である場合、図６に示されているように、当該流体を上方空間１９内から回収して流体圧送手段２５に還流するための流体還流部２８１が設けられ得る。この流体還流部２８１は、少なくとも配管を備えている。この配管には、ポンプ等の圧送手段や、弁等が、適宜設けられ得る。これにより、上述と同様の良好な熱効率が得られつつ、当該流体が再利用されることで当該流体の消費量が良好に抑制される。

なお、図６においては、当該流体の比重が空気よりも大きいために上方空間１９における底部に当該流体が滞留している状態（図中二点鎖線参照）を想定して、流体還流部２８１が上方空間１９における底部に接続されている状態が図示されているが、本発明はこれに限定されない。すなわち、当該流体が空気よりも比重が小さい気体である場合、流体還流部２８１は上方空間１９における上部に接続され得る。この場合、図６に示されている流体還流部２８１に代えて、図２に示されている気体排出管２６１等が用いられ得る。

１０…地面、１１…縦穴、１２…地表、１３…下部帯水層、１５…上部帯水層、１７…地下水、１９…上方空間、２０…地中熱交換器、２１…ケーシング、２２…蓋体、２３…熱交換部、２４…流体吹込管、２５…流体圧送手段、２６…圧力調整手段、２１１…上端開口部、２１３…下端部、２１５…メッシュ部、２１６…メッシュ開口部、２４１…吹込管下端部、２４３…流体噴出開口、２４４…流体吹込部、２６１…気体排出管、２６２…調圧弁、Ｃ…中心軸線、Ｈ…熱媒体。

Claims (5)

1. 地面に掘削された縦穴内に埋設された筒状部材であって、地表側の上端が開口するように形成されているとともに、熱源としての地下水が通過可能なメッシュ部が少なくとも地下帯水層に対応する下端部に設けられた、ケーシングと、
   前記ケーシングにおける前記上端の開口部を閉塞するように当該開口部に装着された、蓋体と、
   前記蓋体を貫通するとともに前記ケーシングにおける前記下端部に設けられた前記メッシュ部の深さまで到達するように当該ケーシングの内側の空間内に収容されていて、外表面が前記地下水と接触するとともに内部にて熱媒体が液密的に収容されつつ通流することで前記空間内の前記地下水と前記熱媒体との間の熱交換を行うように構成された管状部材である、熱交換部と、
   前記蓋体を貫通するとともに前記熱交換部における底部の深さまで到達するように前記ケーシングの内側の前記空間内に収容された管状部材であって、前記熱交換部における前記底部の近傍にて流体を噴出することで前記空間内の前記地下水に前記流体を吹込むように形成された流体噴出開口を有する、流体吹込管と、
   前記流体吹込管に前記流体を送出するように、前記流体噴出開口とは反対側の端部にて当該流体吹込管に接続された、流体圧送手段と、
   前記ケーシングの内側の前記空間内における、気体の圧力を調整するように設けられた、圧力調整手段と、
   を備えたことを特徴とする、地中熱交換器。
2. 請求項１に記載の、地中熱交換器であって、
   前記メッシュ部は、前記ケーシングにおける前記下端部よりも上方にも設けられていることを特徴とする、地中熱交換器。
3. 請求項１又は請求項２に記載の、地中熱交換器であって、
   前記圧力調整手段は、
   前記蓋体を貫通することで、前記ケーシングの内側の前記空間における前記蓋体よりも下方且つ水位よりも上方と外部とを連通可能に設けられた、気体排出管と、
   前記気体排出管に装着された、調圧弁と、
   を備えたことを特徴とする、地中熱交換器。
4. 請求項１〜請求項３のうちのいずれか１項に記載の、地中熱交換器において、
   前記ケーシングの内側の前記空間から前記流体圧送手段に前記流体を還流するように設けられた、流体還流手段をさらに備えたことを特徴とする、地中熱交換器。
5. 請求項１〜請求項４のうちのいずれか１項に記載の、地中熱交換器であって、
   前記熱交換部は、前記ケーシングの軸線方向に沿った長手方向を有するＵ字管であることを特徴とする、地中熱交換器。

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