JP2017057562A - 熱交換用セグメント及びトンネル利用熱交換システム - Google Patents

Abstract

【課題】シールドトンネルの熱交換用セグメントの設置と、隣接する熱交換用セグメントの熱交換器の管端部間の接続とを切り離し、作業性の低下、接続部の遮水性能の低下を招くことがない熱交換用セグメントの提供。
【解決手段】本発明は、シールドトンネルＴの地中等と熱交換を行うための熱交換用セグメント本体１１と、この熱を循環流体に移動させるともに循環流体を熱交換用セグメント本体の外部に移動させる流体循環路の一部を形成する熱交換器２０を備えている。熱交換器は、セグメント本体の厚さ方向の所定の範囲に所定の形状に形成されている熱交換用管部２１と、熱交換用管部の一方の端部側に設けられ熱交換器の流入部、流出部となる管端部２２と、熱交換用管部の他方の端部側に設けられ熱交換器の流出部、流入部となる管端部２３とを有する。複数の熱交換器は一筆書き状に接続された熱交換器群５を形成する。
【選択図】図３

Description

本発明は、シールド工法等により掘削されるシールドトンネルの壁面を形成するとともに、シールドトンネルの地中や空気等流体と熱交換を行うための熱交換器を内蔵した熱交換用セグメントと、この熱交換用セグメントで採取したトンネル側の熱を利用して熱制御対象物を加熱又は冷却するようにしたトンネル利用熱交換システムに関する。

近年、地球の環境に配慮し、自然エネルギーの有効活用を図り、ＣＯ_２削減、地球温暖化防止を図ることが、世界的に大きな課題となっている。この自然エネルギーとしては、太陽光、風力、波力、地熱等に関する技術が知られている。また、自然エネルギーの一つとして、地中に広くその地域のほぼ平均気温で分布する低温（例えば、１０〜１５℃）ではあるが一年中ほぼ恒温の熱エネルギーを利用する地中熱利用システムに関する技術も知られている。本出願人の一方は、従来の地中熱利用システムを改良した技術として、地中熱交換井内の循環路に隣接して、熱交換量増加手段を埋設し、地中熱交換井の熱交換量を増加させる地中熱利用ヒートポンプシステムに関する技術を提案している（特許文献１参照）。しかしながら、従来の地中熱利用システムの技術では、深い地中熱交換井を掘削する必要があり、その地中熱交換井の施工コスト（イニシャルコスト）が高価であるという問題点があった。この施工コストが高価であることは、地中熱利用熱交換システムの普及を阻んでいる要因の一つである。

一方、比較的地質が軟弱な都市部に、安全に、効率的に地下トンネルを施工する工法としてシールド工法が多く採用されている。シールド工法は、専用のトンネル掘削機でトンネルを掘削しながら、セグメントをトンネル壁面に沿って嵌め合わせるように設置し、トンネル壁面を構築していく工法である。また、このシールド工法は、従来からのトンネル（例えば、道路トンネル、鉄道トンネル）だけでなく、地下街、通信、配管のための共同溝トンネル、下水トンネル等にも広く活用されている。

本出願人の一方は、このようなトンネルを活用し、トンネルの地中やトンネル内の空気等と熱交換する技術としてトンネル熱交換用パネル及びトンネル利用熱交換システムに関する技術（特許文献２参照）を提案している。この技術は、パネル（セグメント）内流体路を有するパネル本体（セグメント本体）をトンネルの長手方向に複数設置して、トンネルの壁面に沿ってトンネル側熱交換部を形成し、トンネルの地中や空気等流体と熱交換するトンネル熱交換用パネル及びトンネルを利用した熱交換システムに関するものである。

特開２００９−２５７７３７号公報 特開２００７−１０７２８８号公報

しかしながら、特許文献２に記載された技術は、熱交換用セグメント（トンネル熱交換用パネル）の設置に合わせてセグメント内流体路を接続し、トンネルの壁面に沿ってトンネル側熱交換部を構築することになる。このように、熱交換用セグメント自体の設置とセグメント内流体路の接続という両方の作業を、同時に、行うことで作業性が低下してしまうおそれが生じていた。また、トンネルが左右方向にカーブしたり、上下方向に傾斜等の変化があると、隣接する熱交換用セグメント間のセグメント内流体路の接続部の遮水性能を維持することが厳しくなり、実用化を図ることが困難であるという問題が生じた。

一方、自然エネルギーの有効活用を図り、ＣＯ_２削減、地球温暖化防止を図ることは、人類が必ず解決しなければならない課題の一つである。そのため、前述した特許文献２の技術では、通常のセグメントや熱交換用セグメントの設置作業と、隣接する熱交換用セグメント間のセグメント内流体路の接続作業とを別工程で行うようにし、作業性の低下を招かないようにする必要が生じた。また、隣接する熱交換用セグメント間のセグメント内流体路の接続を確実に行い、接続部の遮水性能の低下を招かないようにして、トンネルの地中や空気等流体の熱を利用するトンネル側の熱交換部を構築し、トンネル利用熱交換システムの普及拡大を図り、ＣＯ_２削減、地球温暖化防止に貢献できるようにする技術の開発が期待されている。特に、いままで活用することができなかったトンネルの地中や空気等流体の熱の活用を図ることは、都市部におけるヒートアイランド現象の抑止、ピーク電力等の削減等の効果を呈すると期待される。

本発明は、前述したような問題点を解決するためになされたものであり、次のような目的を達成するものである。
本発明の目的は、熱交換用セグメントの設置と、隣接する熱交換用セグメントの熱交換器の管端部間の接続とを切り離して行えるようにすることで、作業性の低下、遮水性能の低下を招くことがない熱交換用セグメントを提供することにある。

本発明の他の目的は、この熱交換用セグメントが採取するトンネル側の熱を利用して、熱制御対象物を加熱又は冷却することができるトンネル利用熱交換システムを提供することにある。

本発明は、前記課題を解決するために次の手段を採る。
本発明１の熱交換用セグメントは、
トンネル掘削機で掘削されたトンネルに、複数に分割されたセグメントで前記トンネルの壁面を構築するシールドトンネルにおける熱交換用セグメントであって、前記セグメントと同一又はほぼ同一の形状及び大きさの部材であって、前記壁面の一部を構築するとともに、前記トンネルの地中、又は、空気を含む流体と熱交換を行うための熱交換用セグメント本体と、前記熱交換用セグメント本体に埋設され、前記熱交換用セグメント本体を通して伝達された熱を循環流体に移動させるとともに、前記循環流体を前記熱交換用セグメント本体の外部に移動させるための流体循環路の一部を形成するための熱交換器とを備え、前記熱交換器は、合成樹脂製又は耐蝕性のある金属製の管状体であって、前記熱交換用セグメント本体の内周側又は外周側の面と平行又はほぼ平行に、前記熱交換用セグメント本体の厚さ方向の所定の範囲に、円形状、及び／又は、直線状に形成されている熱交換用管部と、前記熱交換用管部の一方の端部側に設けられ、前記熱交換器の流入部又は流出部となる一方の管端部と、前記熱交換用管部の他方の端部側に設けられ、前記熱交換器の流出部又は流入部となる他方の管端部とを備えていることを特徴とする。

本発明２の熱交換用セグメントは、本発明１において、
前記熱交換器は、前記一方の管端部が、前記トンネル内に配置されるとともに、前記流体循環路の一部を構成する主管路に接続可能な管端部であり、前記他方の管端部が、前記トンネルの周方向、又は、前記トンネルの長手方向に隣接する熱交換用セグメントの管端部と、前記周方向、又は、前記長手方向に接続可能な管端部であることを特徴とする。

本発明３の熱交換用セグメントは、本発明１において、
前記熱交換器は、前記一方の管端部が、前記トンネルの周方向に隣接する熱交換用セグメントの管端部と、前記周方向に接続可能な管端部であり、前記他方の管端部が、前記周方向に隣接する熱交換用セグメントの管端部と、前記周方向に接続可能な管端部であることを特徴とする。

本発明４の熱交換用セグメントは、本発明１において、
前記熱交換器は、前記一方の管端部が、前記トンネルの周方向に隣接する熱交換用セグメントの管端部と、前記周方向に接続可能な管端部であり、前記他方の管端部が、前記トンネルの長手方向に隣接する熱交換用セグメントの管端部と、前記長手方向に接続可能な管端部であることを特徴とする。

本発明５の熱交換用セグメントは、本発明１から４において、
前記一方の管端部、及び、前記他方の管端部は、前記熱交換用セグメント本体に形成された凹部内に設けられた管端部であることを特徴とする。

本発明６の熱交換用セグメントは、本発明１から４において、
前記セグメント本体の厚さ方向の所定の範囲は、前記セグメント本体内の外周側に設けられている第１主筋と、前記セグメント本体内の内周側に設けられている第２主筋との間の所定の範囲であることを特徴とする。

本発明７の熱交換用セグメントは、本発明２から６において、
前記熱交換用セグメントは、前記周方向に接続するための管端部を、隣接する熱交換用セグメントの前記周方向に接続するための管端部に、前記長手方向に接続するための管端部を、隣接する熱交換用セグメントの前記長手方向に接続するための管端部に接続することにより、複数の前記熱交換器で形成される流体循環路が、前記トンネルの周方向、及び／又は、前記トンネルの長手方向に、一筆書き状に接続された熱交換器群を形成するものであることを特徴とする。

本発明８の熱交換用セグメントは、本発明７において、
前記熱交換器群は、前記熱交換器群の一方の管端部が、前記トンネルの前記長手方向に配置される往路用主管路に、前記熱交換器群の他方の管端部が、前記トンネルの前記長手方向に配置される復路用主管路に接続されていることを特徴とする。

本発明９のトンネル利用熱交換システムは、
本発明７又は８に記載された熱交換器群を有するトンネル側の熱交換装置と、前記熱交換器群で採取した前記トンネル側の熱を利用して、前記トンネルの外部に設けられている熱制御対象物を加熱又は冷却するための熱交換を行う負荷側熱交換部とを備えていることを特徴とする。

本発明１０のトンネル利用熱交換システムは、
本発明７又は８に記載された熱交換器群と接続され、前記熱交換器群で前記トンネルの地中、又は、空気を含む流体と熱交換された熱を移動させるための第１循環流体が循環する第１流体循環路と、前記トンネルの外部に設けられている熱制御対象物を加熱又は冷却するための熱交換を行う負荷側熱交換部に第２循環流体が循環する第２流体循環路と、前記第１流体循環路と前記第２流体循環路との間に設けられ、前記第１循環流体を熱源として、前記第１循環流体より高温又は低温の前記第２循環流体を造成するヒートポンプとを備えていることを特徴とする。

本発明の熱交換用セグメントは、シールドトンネルの構築作業を、従来の作業と同様に行うことができる。また、この熱交換用セグメントは、この熱交換用セグメントの熱交換器の管端部と、隣接する熱交換用セグメントの熱交換器の管端部との間の接続作業を、シールドトンネルの構築作業とは別工程で行うため、熱交換器の管端部間の接続作業を確実に施工することができ、接続部の遮水性能の低下を生じさせない。従って、トンネルの地中や空気等流体の熱を利用するトンネル利用熱交換システムの実用化を図ることができる。このトンネル利用熱交換システムの実用化を図ることができれば、都市部におけるヒートアイランド現象の抑止、ピーク電力の削減等を図ることができる。また、トンネル利用熱交換システムが普及拡大することにより、地球温暖化防止、ＣＯ_２削減を図ることができ、地球環境の改善に貢献することができる。

この熱交換用セグメントは、複数の熱交換用セグメントの熱交換器が接続され、一筆書き状の流体循環路が形成される大規模な熱交換器群を構築することが可能であり、この熱交換器群が採取したトンネル側の熱を利用する大規模なトンネル利用熱交換システムを構築することができる。このように構築される大規模なトンネル利用熱交換システムは、トンネル側の熱を利用して熱制御対象物を加熱又は冷却することができ、地球温暖化防止、ＣＯ_２削減を図り、地球環境の改善に大きく貢献することができる。

図１は、本発明の熱交換用セグメントを利用したトンネル利用熱交換システムの概要を模式的に示した外観図である。 図２は、本発明の熱交換用セグメントを一部断面にして示す外観図である。 図３は、本発明の熱交換用セグメントの概要を示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）をＢ−Ｂ線で切断した断面図である。 図４は、熱交換用セグメントに設けられる管端部の一例を説明するために、熱交換用セグメントを展開して示す正面図である。 図５は、熱交換用セグメントに設けられる管端部の一例を説明するために、熱交換用セグメントを展開して示す正面図である。 図６は、熱交換用セグメントに設けられる管端部の一例を説明するために、熱交換用セグメントを展開して示す正面図である。 図７は、複数の熱交換用セグメントの管端部を接続し、一筆書き状の流体循環路を形成した熱交換器群を模式的に展開して示す正面図である。

図１から図７に従って、本発明の熱交換用セグメント及びトンネル利用熱交換システムの実施の形態について説明を行う。
[熱交換用セグメント]
図１は、本発明の熱交換用セグメントを利用したトンネル利用熱交換システムの概要を模式的に示した外観図、図２は、熱交換用セグメントを一部断面にして示した外観図である。図３は、熱交換用セグメントを示す図であって、（ａ）は正面図、（ｂ）は（ａ）をＢ−Ｂ線で切断した断面図である。図４は、熱交換用セグメントに設けられる管端部の一例（構造１、構造２）を説明するために、熱交換用セグメントを展開して示す正面図、図５は、熱交換用セグメントに設けられる管端部の一例（構造２）を説明するために、熱交換用セグメントを展開して示す正面図、図６は、熱交換用セグメントに設けられる管端部の一例（構造２、構造３）を説明するために、熱交換用セグメントを展開して示す正面図である。

セグメント１５は、トンネル壁面を掘削しながら構築するシールドトンネル（以下、トンネルと記載する）Ｔにおいて、複数（例えば、Ｋ、Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２で示す５分割）に分割され、トンネル掘削機でトンネルＴを掘削しながら、トンネル壁面に沿って嵌め合わせるように設置されて、トンネル壁面を構築するための部材である。この実施の形態の熱交換用セグメント１０は、セグメント１５と共働してトンネル壁面を構築する部材であるとともに、トンネルＴの地中や空気等流体の熱（トンネルＴ側の熱）を採取し、第１循環流体２７との間で熱交換する機能と、第１循環流体２７をトンネルＴの外部に熱移動させるための第１流体循環路２５の一部を構成するための機能とを備えた部材である。従って、この実施の形態におけるトンネルＴは、従来より使用されている通常のセグメント１５、熱交換用セグメント１０とから構築されるトンネルである。なお、この実施の形態でいうトンネルＴとは、シールド工法で設置される種々のトンネル（例えば、道路トンネル、鉄道トンネル、共同溝トンネル、地下街、下水トンネル等）である。

熱交換用セグメント１０は、セグメント内の外周側に第１主筋１２、セグメント内の内周側に第２主筋１３等鉄筋が設けられた鉄筋コンクリート製のセグメント本体１１を有する。このセグメント本体１１内には、熱交換器２０が埋設されている。熱交換用セグメント１０は、熱交換器２０が埋設されていない通常のセグメント１５と、外観形状（形状及び大きさ）が同一又はほぼ同一のセグメントである。セグメント本体１１は、所定の半径又は曲率ｒ、厚さｔを有する所定の大きさ（ａ＊ｂ）の板状の部材であり、掘削したトンネル面に沿って嵌め合わせるように設置されてトンネルＴの壁面を構築するためのものである。また、熱交換用セグメント１０は、トンネルＴを構築するため、セグメント１５と同様に、トンネルＴの長手方向と直交する面で切断した断面で示したとき、トンネル面に沿った円弧状に形成されているものである。

セグメント本体１１には、セグメント本体１１の熱が伝達された第１循環流体（以下、第１流体と記載する）２７を、熱交換用セグメント１０等で構築されるトンネルＴの外部に移動させるための第１流体循環路（以下、第１流路と記載する）２５の一部を構成するための熱交換器２０が形成されている。

熱交換器２０は、所定の内外径（例えば、外径φ３４ｍｍ、内径φ２７ｍｍ）を有する合成樹脂（例えば、高密度ポリエチレン；ＰＥ１００）製の管状体、又は、耐蝕性のある金属（例えば、ステンレス）製の管状体である。熱交換器２０は、セグメント本体１１に埋設される熱交換用管部２１と、熱交換用管部２１の一方の端部側に設けられた第１管端部２２と、熱交換用管部２１の他方の端部側に設けられた第２管端部２３とから構成されている。熱交換器２０は、熱交換用管部２１、第１管端部２２、第２管端部２３の内径部が第１流体２７を循環させる流体循環路となる。また、熱交換器２０は、第１管端部２２が第１流体２７の流入部となるとき、第２管端部２３が第１流体２７の流出部となる。さらに、熱交換器２０は、第２管端部２３が第１流体２７の流入部となるとき、第１管端部２１が第１流体２７の流出部となる。熱交換用管部２１は、セグメント本体１１の円弧面（内周側又は外周側の面）と平行又はほぼ平行であって、セグメント本体１１の厚さ方向の中央又はほぼ中央に、蛇行するように形成されている。言い換えると、熱交換用管部２１は、円形状の一部の管部と直線状の管部とが組み合わされて、所定の寸法ｃ間を蛇行するように形成された管部となっている。熱交換用管部２１は、セグメント本体１１が厚さｔ（図３参照）の場合、外周面から寸法ａ（例えば、ａ＝ｔ／５）離れた位置にある寸法範囲ｂ（例えば、ｂ＝２ｔ／５）内に埋設されているとよい。

このように、熱交換用セグメント１０は、セグメント本体１１の厚さ方向の中央、又は、ほぼ中央の位置に熱交換用管部２１を設けることで、熱交換用管部２１に応力がかかりにくくにすることができる。言い換えると、熱交換用セグメント１０は、セグメント本体１１の外周側（例えば、寸法範囲ｂより外周側）に熱交換用管部２１を設けると引っ張り方向の応力が生じ、セグメント本体１１の内周側（例えば、寸法範囲ｂより内周側）に熱交換用管部２１を設けると圧縮方向の応力が生じることになり、熱交換用管部２１に悪影響を与えるおそれが生じる。この実施の形態の熱交換用セグメント１０は、熱交換用管部２１を、セグメント本体１１の厚さ方向の中央近傍に設けることで、この悪影響が発生しないようにしている。

図４から図６は、熱交換用セグメント１０に設けられる管端部の構造の一例（構造１、構造２、構造３）を説明するために、熱交換用セグメント１０を展開して示す正面図である。図７は、複数の熱交換用セグメント１０の管端部を接続し、一筆書き状の流体循環路を形成した熱交換器群５を模式的に展開して示す正面図である。図４から図７に従って、熱交換用セグメント１０、熱交換器群５についてさらに説明を行う。

この熱交換用セグメント１０に設けられる一方の管端部、他方の管端部は、次に説明する３種類の構造からなっている。そして、図７に示す熱交換器群５は、隣接する熱交換用セグメント１０の管端部間を、構造１から構造３の管端部構造で接続することにより構築される。

[構造１]：構造１の管端部は、セグメント本体１１の内周面側に凹部１１ａを形成し、この凹部１１ａに、熱交換器２０の一端を突出するように設ける構造のものであり、第１管端部２２、第２管端部２３に符号ａを付与して示している。この管端部２２ａ、管端部２３ａは、トンネルＴ内に配置され、第１流路２５の一部を構成する主管路（例えば、往路用主管路６、復路用主管路７）に接続するための管端部である（図１、４、７参照）。管端部２２ａ、管端部２３ａは、トンネルＴの内周面側に熱交換器２０の流出部、流入部となる開口が向いている。

[構造２]：構造２の管端部は、トンネルＴの周方向に隣接する熱交換用セグメント１０の熱交換器２０の管端部同士を接続するためのものであり、第１管端部２２、第２管端部２３に符号ｂを付与して示している。この構造２は、セグメント本体１１の周方向端部の内周面側に凹部１１ｂを形成し、この凹部１１ｂに熱交換器２０の一端である管端部２２ｂ、管端部２３ｂを突出させる構造のものである（図５、７参照）。この管端部２２ｂ、管端部２３ｂは、熱交換器２０の周方向側に流出部、流入部となる開口が向いている。

[構造３]：構造３の管端部は、トンネルＴの長手方向に隣接する熱交換用セグメント１０の熱交換器２０の管端部同士を接続するためのものであり、第１管端部２２、第２管端部２３に符号ｃを付与して示している。この構造３は、セグメント本体１１の長手方向端部の内周面側に凹部１１ｃを形成し、この凹部１１ｃに熱交換器２０の一端である管端部２２ｃ、又は、管端部２３ｃを突出させる構造のものである（図６、７参照）。この管端部２２ｃ、管端部２３ｃは、長手方向側に熱交換器２０の流出部、流入部となる開口が向いている。

例えば、図４に示す熱交換用セグメント１０Ａは、の熱交換器２０Ａの第１管端部２２が「構造１」として説明を行った管端部２２ａ（図４の左側）であり、第２管端部２３が「構造２」として説明を行った管端部２３ｂ（図４の右側）である構成のものである。なお、熱交換用セグメントは、第１管端部２２が管端部２２ｂ（構造２）、第２管端部２３が管端部２３ａ（構造１）になっている図４の構成とは左右が逆の構成のものであってもよい。図５に示す熱交換用セグメント１０Ｂは、熱交換器２０Ｂの第１管端部２２が「構造２」として説明を行った管端部２２ｂであり、第２管端部２３が「構造２」として説明を行った管端部２３ｂである構成のものである。図６に示す熱交換用セグメント１０Ｃは、熱交換器２０Ｃの第１管端部２２が「構造３」として説明を行った管端部２２ｃ（図４の左側）であり、第２管端部２３が「構造２」として説明を行った管端部２３ｂ（図４の右側）である構成のものである。なお、熱交換用セグメントは、第１管端部２２が管端部２２ｂ（構造２）、第２管端部２３が管端部２３ｃ（構造３）になっている図６の構成とは左右が逆の構成のものであってもよい。

熱交換器２０管端部同士の接続について、説明を行う。
予め、熱交換用セグメント１０の一方の管端部に、接続部材（例えば、電気融着継手：ＥＦ継手）を仮止めして設けておく。トンネル壁面に沿って嵌め合わせるように、各熱交換用セグメント１０を設置し、トンネルＴを構築する。接続部材の仮止めを解除し、隣接する両方の管端部の外径部が接続部材の内径部に接触可能に設置されるように接続部材を移動させる。接続部材が、一方の熱交換用セグメントの管端部と他方の熱交換用セグメントの管端部との間に跨がるようにセットされた後、管端部と接続部材とを電気融着装置で加熱して融着し、管端部の外径部と接続部材の内径部とを水密状態に接続する。

[複数の熱交換用セグメントで構築される熱交換器群]
図７は、複数の熱交換用セグメントの管端部を接続し、一筆書き状の流体循環路を形成した熱交換器群を模式的に展開して示す正面図である。この実施の形態では、トンネルＴの周方向に、セグメント、複数の熱交換用セグメント（例えば、セグメントＫ、熱交換用セグメントＡ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２）が、所定の順番に嵌め合わされてリング状に構築されている。また、トンネルＴの長手方向に、リング状に嵌め合わされた複数の熱交換用セグメント、セグメントが、符号「乙１、甲１、乙２、甲２、乙３」で示す順番に隣接するように配列されている。そして、符号「乙１、乙２、乙３」で示す複数の熱交換器セグメント、セグメントと、符号「甲１、甲２」で示す複数の熱交換用セグメント、セグメントとは、所定の角度分位相が異なるように設けられている。

前述したような構造の熱交換用セグメント１０は、管端部間が、図７に示すように接続されて、１本の熱交換器群５が構築される。例えば、符号「乙１・Ａ１」で示された熱交換用セグメント１０Ａと、符号「乙１・Ａ２」で示された熱交換用セグメント１０Ｂとは、管端部２３ｂ、管端部２２ｂ及び接続部材でトンネルＴの周方向に接続されている。符号「乙１・Ａ２」で示された熱交換用セグメント１０Ｂと、符号「乙１・Ｂ１」で示された熱交換用セグメント１０Ｄとは、管端部２３ｂ、管端部２２ｂ及び接続部材でトンネルＴの周方向に接続されている。符号「乙１・Ｂ１」で示された熱交換用セグメント１０Ｄと符号「甲１・Ｂ１」で示された熱交換用セグメント１０Ｃとは、管端部２３ｃ、管端部２２ｃ及び接続部材でトンネルＴの長手方向に接続されている。符号「甲１・Ｂ１」で示された熱交換用セグメント１０Ｃと、符号「甲１・Ａ２」で示された熱交換用セグメントとは、管端部２３ｂ、管端部２２ｂ及び接続部材でトンネルＴの周方向に接続されている。符号「甲１・Ａ２」の熱交換用セグメントと符号「甲１・Ａ１」の熱交換用セグメントの両管端部の接続から、符号「甲２・Ａ１」の熱交換用セグメントと符号「甲２・Ｂ２」の熱交換用セグメントの両管端部の接続については、前述した接続を繰り返すことになるので説明を省略する。符号「甲２・Ｂ２」で示された熱交換用セグメント１０Ｄと符号「乙３・Ｂ２」で示された熱交換用セグメント１０Ａとは、管端部２３ｃ、管端部２２ｃ及び接続部材でトンネルＴの長手方向に接続されている。

符号「乙３・Ｂ２」で示された熱交換用セグメント１０Ａの管端部２３ａは、トンネルＴの長手方向に延在して配置されるとともに、第１流路２５の一部を構成する主管路のうち、第１流体２７を送るための往路用主管路６に接続部材を介して接続される。また、符号「乙１・Ａ１」で示された熱交換用セグメント１０Ａの管端部２２ａは、トンネルＴの長手方向に延在して配置されるとともに、第１流路２５の一部を構成する主管路のうち、第１流体２７を戻すための復路用主管路７に接続部材を介して接続される。このように、熱交換用セグメント１０（１０Ａ〜１０Ｄ）の熱交換器２０（２０Ａ〜２０Ｃ、図４〜６参照）を一筆書き状に接続することにより、長大な長さ、熱容量の熱交換器群５を構築することができる。なお、この説明から理解されるように、この熱交換器群５は、この形態で説明を行った例に限定されるものではなく、要求される熱容量、トンネルの大きさ等により、適宜、選択されるものである。接続される熱交換用セグメントの数量も適宜選択されるものである。また、熱交換器２０は、セグメント本体１１に埋設される部位の形状が適宜変更可能なものである。例えば、熱交換用セグメントは、前述した熱交換用管部２１より管路長が短い熱交換用管部２１ａがセグメント本体１１に埋設された熱交換用セグメント１０Ｄであってもよい（図７参照）。

前述した熱交換用セグメント１０は、熱交換器２１の第１管端部２２（又は第２管端部２３）が、隣接する熱交換用セグメントの熱交換器の管端部の間を接続部材で接続されることにより、大きな熱容量のトンネルＴ側の熱を採取できる熱交換器群５を構築することができる。さらに、熱交換器群５は、必要に応じて、トンネルＴの長手方向に、任意の数量、設置することができる。複数の熱交換用セグメント１０の熱交換器２０を接続して構築した熱交換器群５が採取したトンネル側の熱を利用したトンネル利用熱交換システムの実施の形態を図１に基づいてさらに説明する。

[トンネル利用熱交換システム]
図１に従って、トンネルＴに設けられた複数の熱交換用セグメント１０の熱交換器２０を接続して構築した熱交換器群５で採取したトンネルＴ側の熱を利用し、トンネルＴの外部に設けられた熱制御対象物の加熱、又は、冷却を行うトンネル利用熱交換システム１の実施の形態について説明を行う。具体的には、熱交換器群５で採取したトンネルＴ側の熱を利用して、建物の冷暖房、融雪、給湯等を行う。
この実施の形態のトンネル利用熱交換システム１は、熱交換器群５を有するトンネル側の熱交換装置（一次側熱交換装置）２、熱制御対象物の加熱、又は、冷却（例えば、建物の冷暖房、融雪、給湯等）を行うための熱交換を行う負荷側熱交換装置（二次側熱交換装置）４、トンネル側の熱交換装置２と負荷側熱交換装置４との間に設けられるヒートポンプ３とを有するトンネルの熱を利用したヒートポンプシステムである。

トンネル側の熱交換装置２は、複数の熱交換用セグメント１０の熱交換器２０を接続して構築される熱交換器群５、第１流体２７が循環する第１流路２５、第１流体２７を循環させるための第１循環ポンプ（以下、第１ポンプと記載する）２６等から構成されている。第１流体２７は、第１ポンプ２６が作動することによって、熱交換器群５を構築する複数の熱交換器２０、第１熱交換部３２、往路用主管路６、復路用主管路７を含む第１流路２５を循環している。すなわち、熱交換器２０の熱交換用管部２１等は、第１流路２５の一部を構成している。第１流体２７は、水等である。

負荷側熱交換装置４は、建物の冷暖房、融雪、給湯等熱制御対象物の加熱、又は、冷却を行うための負荷側熱交換部４３、第２循環流体（以下、第２流体と記載する）４４が循環する第２流体循環路（以下、第２流路と記載する）４１、第２流体４４を循環させるための第２循環ポンプ（以下、第２ポンプと記載する）４２等から構成されている。第２流体４４は、第２ポンプ４２が作動することによって、負荷側熱交換部４３、第２熱交換部３４を含む第２流路４１を循環している。第２流体４４は、水等である。第１流路２５と、第２流路４１の間には、ヒートポンプ３が設けられている。図１に示すように、複数の熱交換用セグメント１０で構築される熱交換器群５を除くトンネル側の熱交換装置２、負荷側熱交換装置４、ヒートポンプ３は、トンネルＴの外部に設けられている。ヒートポンプ３は公知のものであるが、本発明の理解を容易にするため概略を説明する。

このヒートポンプ３は、図１に示すように、熱媒体３６を循環させ熱交換を行なうもので、熱媒体循環路３１にモータで駆動される圧縮機３３、膨張弁３５、第１熱交換部３２、第２熱交換部３４を有している。トンネル側の熱交換装置２に設けられた第１流路２５に第１熱交換部３２を配し、負荷側熱交換装置４に設けられた第２流路４１に第２熱交換部３４を配した構成になっている。熱媒体３６は、新冷媒[例えば、冷媒番号（ＩＳＯ８１７）：Ｒ４０４Ａ、Ｒ４０７Ｃ、Ｒ４１０Ａ等]、代替えフロン等であればよい。

例えば季節が冬期の場合、恒温状態の地盤、地中と接しているトンネルＴの熱交換用セグメント１０の温度は、外気温度に比べ、高い状態にある。また、第１流体２７は、第１ポンプ２６が作動することによって第１流路２５を循環している。第２流体４４は、第２ポンプ４２が作動することによって第２流路４１を循環している。

第１流体２７は、第１流路２５を循環し、複数の熱交換用セグメント１０に内蔵された熱交換器２０で構築される熱交換器群５に移動したとき、熱交換器群５の複数の熱交換器２０で地中やトンネルＴ内の空気等流体と熱交換する。すなわち、循環している第１流体２７には、セグメント本体１１を通して伝達された熱が、熱交換器２０により熱移動し、熱移動前の温度より高い温度の流体となる。熱交換器群５で熱交換された第１流体２７は、第１流路２５を循環し、第１熱交換部３２で熱媒体３６と熱交換を行う。第１流体２７の熱は、熱媒体３６に熱移動し、熱媒体３６は、熱移動前の温度より高い温度の熱媒体となる。第１流体２７と熱交換された熱媒体３６は、圧縮機３３で圧縮（加圧）されることによって、さらに温度が上昇した高温の熱媒体３６となる。高温になった熱媒体３６は、第２熱交換部３４で、第２流路４１を循環している第２流体４４と熱交換する。第２熱交換部３４で、熱媒体３６の熱が移動した第２流体４４は、高温の第２流体４４となる。高温になった第２流体４４は、第２流路４１内を循環して、建物、路面等に設置された負荷側熱交換部４３に移動する。第２熱交換部３４で高温になった第２流体４４は負荷側熱交換部４３で熱交換して熱制御対象物を加熱する。例えば、建物の暖房装置、給湯装置、融雪装置等の熱源として使用される。

熱媒体３６と熱交換し、温度が低下した第１流体２７は、第１ポンプ２６が作動することによって循環して熱交換器群５に戻り、熱交換器群５の複数の熱交換器２０で地中やトンネル内の空気等流体と熱交換を行う。負荷側熱交換部４３で熱量を使った第２流体４４は低温化し、第２ポンプ４２が作動することによって第２熱交換部３４に戻り、熱媒体３６と熱交換を行う。第２流体４４と熱交換し温度が低下した熱媒体３６は膨張弁３５で減圧されることによって、さらに温度が低下した熱媒体になって第１熱交換部３２に戻り、第１流体２７と熱交換を行う。

また、季節が夏期の場合、恒温状態の地盤、地中と接しているトンネルＴの熱交換用セグメント１０の温度は、外気温度に比べ、低い状態にある。この場合、熱媒体３６は、図１に示した矢印方向と反対の方向に、熱媒体循環路３１内を循環する。

第１流体２７は、第１流路２５を循環し、複数の熱交換用セグメント１０に内蔵された熱交換器２０で構築された熱交換器群５に移動したとき、熱交換器群５の複数の熱交換器２０で地中やトンネル内の空気等流体と熱交換する。すなわち、循環している第１流体２７には、セグメント本体１１を通して伝達された熱が、熱交換器２０により熱移動し、熱移動前の温度より低い温度の流体となる。熱交換器群５で熱交換された第１流体２７は、第１流路２５を循環し、第１熱交換部３２で熱媒体３６と熱交換を行う。第１流体２７の熱は、熱媒体３６に熱移動し、熱媒体３６は、熱移動前の温度より低温の熱媒体となる。第１流体２７と熱交換された熱媒体３６は、膨張弁３５によって減圧されることによって、さらに温度が低下した低温の熱媒体となる。低温になった熱媒体３６は、第２熱交換部３４で、第２流路４１を循環している第２流体４４と熱交換する。第２熱交換部３４で、熱媒体３６の熱が移動した第２流体４４は、低温の第２流体４４となる。低温になった第２流体４４は、第２流路４１内を循環して、建物等に設置された負荷側熱交換部４３に移動する。第２熱交換部３４で低温になった第２流体４４は負荷側熱交換部４３で熱交換して熱制御対象物を冷却する。例えば、建物の冷房装置、冷房システム等の熱源として使用される。

熱媒体３６と熱交換し、温度が上昇した第１流体２７は、第１ポンプ２６が作動することによって循環して熱交換器群５に戻り、熱交換器群５の複数の熱交換器２０で地中やトンネル内の空気等流体と熱交換を行う。負荷側熱交換部４３で熱量を使った第２流体４４は温度が上昇し、第２ポンプ４２が作動することによって第２熱交換部３４に戻り、熱媒体３６と熱交換を行う。第２流体４４と熱交換し、温度が上昇した熱媒体３６は、圧縮機３３で圧縮（加圧）されることによって、さらに温度が上昇した熱媒体になって第１熱交換部３２に戻り、第１流体２７と熱交換を行う。

このように、複数の熱交換用セグメント１０内の熱交換器２０を接続して構築される熱交換器群５を有するトンネル側の熱交換装置２で熱交換し、前述のヒートポンプ３の熱源に利用することで、経済的で省エネルギーな熱交換システムが構築できる。

[トンネル利用熱交換システムの他の実施の形態１]
トンネル利用熱交換システムの他の実施の形態１の説明を行う。前述した実施の形態では、トンネル利用熱交換システムを、トンネル側の熱交換装置で熱交換したトンネル側の熱を利用したヒートポンプシステムとして説明を行った。この他の実施の形態１のトンネル利用熱交換システムは、トンネル側の熱交換装置で熱交換した循環流体を負荷側熱交換部に循環させ、この循環流体の熱により、直接、熱制御対象物を加熱、又は、冷却するように構成したものである。このような構成にすることにより、トンネル利用熱交換システムの構成の簡素化が図れる。

[トンネル利用熱交換システムの他の実施の形態２]
トンネル利用熱交換システムの他の実施の形態２の説明を行う。前述した実施の形態のトンネル利用熱交換システムは、ヒートポンプが、熱媒体と第２循環流体との間で熱交換を行い、第２流体が負荷側熱交換部と熱交換を行う間接式のヒートポンプが設けられた構成のものであった。この他の実施の形態２のトンネル利用熱交換システムは、熱媒体が、直接、負荷側熱交換部で熱交換を行い、熱制御対象物を加熱、又は、冷却するように構成された直膨式のヒートポンプが設けられたものである。このような構成にすることにより、トンネル利用熱交換システムの構成の簡素化が図れる。

以上、本発明の実施の形態を説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されることはない。例えば、接続部材は、メカニカルジョイント部材であってもよい。また、熱交換器の熱交換用管部は、円形状の一部からなる管部、直線状の管部、直線状の管部の組み合わせ、円形状又は円形状の一部からなる管部の組み合わせ、直線状の管部と円形状の一部からなる管部の組み合わせ等であってもよい。さらに、シールドトンネルは、矩形状のシールドトンネル、矩形状と円弧状が組み合わされた形状のシールドトンネル（例えば、上部側が円形状で下部側が矩形状のシールドトンネル）等であってもよい。例えば、矩形状のシールドトンネルの場合、熱交換用セグメント、セグメント本体の形状は、通常のセグメントと外観が同一形状のものであり、トンネルＴの長手方向と直交する面で切断した断面で示したとき、長方形、又は、Ｌ字状等をした所定の厚さを有する板状の部材になっている。

１…トンネル利用熱交換システム
２…トンネル側の熱交換装置（一次側熱交換装置）
３…ヒートポンプ
４…負荷側熱交換装置（二次側熱交換装置）
５…熱交換器群
６…往路用主管路
７…復路用主管路
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ…熱交換用セグメント
１１…セグメント本体
１２…第１主筋
１３…第２主筋
１５…セグメント
２０、２０Ａ、２０Ｂ、２０Ｃ…熱交換器
２１…熱交換用管部
２２…第１管端部
２３…第２管端部
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ…管端部
２３ａ、２３ｂ、２３ｃ…管端部
２５…第１流体循環路
２６…第１循環ポンプ
２７…第１循環流体
３１…熱媒体循環路
３２…第１熱交換部
３３…圧縮機
３４…第２熱交換部
３５…膨張弁
３６…熱媒体
４１…第２流体循環路
４２…第２循環ポンプ
４３…負荷側熱交換部
４４…第２循環流体

Claims (10)

1. トンネル掘削機で掘削されたトンネルに、複数に分割されたセグメントで前記トンネルの壁面を構築するシールドトンネルにおける熱交換用セグメントであって、
   前記セグメントと同一又はほぼ同一の形状及び大きさの部材であって、前記壁面の一部を構築するとともに、前記トンネルの地中、又は、空気を含む流体と熱交換を行うための熱交換用セグメント本体（１１）と、
   前記熱交換用セグメント本体に埋設され、前記熱交換用セグメント本体を通して伝達された熱を循環流体に移動させるとともに、前記循環流体を前記熱交換用セグメント本体の外部に移動させるための流体循環路の一部を構成するための熱交換器（２０）とを備え、
   前記熱交換器は、合成樹脂製又は耐蝕性のある金属製の管状体であって、前記熱交換用セグメント本体の内周側又は外周側の面と平行又はほぼ平行に、前記熱交換用セグメント本体の厚さ方向の所定の範囲に、円形状、及び／又は、直線状に形成されている熱交換用管部（２１）と、前記熱交換用管部の一方の端部側に設けられ、前記熱交換器の流入部又は流出部となる一方の管端部（２２）と、前記熱交換用管部の他方の端部側に設けられ、前記熱交換器の流出部又は流入部となる他方の管端部（２３）とを備えている
   ことを特徴とする熱交換用セグメント。
2. 請求項１に記載された熱交換用セグメントにおいて、
   前記熱交換器は、前記一方の管端部が、前記トンネル内に配置されるとともに、前記流体循環路の一部を構成する主管路に接続可能な管端部であり、
   前記他方の管端部が、前記トンネルの周方向、又は、前記トンネルの長手方向に隣接する熱交換用セグメントの管端部と、前記周方向、又は、前記長手方向に接続可能な管端部である
   ことを特徴とする熱交換用セグメント。
3. 請求項１に記載された熱交換用セグメントにおいて、
   前記熱交換器は、前記一方の管端部が、前記トンネルの周方向に隣接する熱交換用セグメントの管端部と、前記周方向に接続可能な管端部であり、
   前記他方の管端部が、前記周方向に隣接する熱交換用セグメントの管端部と、前記周方向に接続可能な管端部である
   ことを特徴とする熱交換用セグメント。
4. 請求項１に記載された熱交換用セグメントにおいて、
   前記熱交換器は、前記一方の管端部が、前記トンネルの周方向に隣接する熱交換用セグメントの管端部と、前記周方向に接続可能な管端部であり、
   前記他方の管端部が、前記トンネルの長手方向に隣接する熱交換用セグメントの管端部と、前記長手方向に接続可能な管端部である
   ことを特徴とする熱交換用セグメント。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載された熱交換用セグメントにおいて、
   前記一方の管端部（２２）、及び、前記他方の管端部（２３）は、前記熱交換用セグメント本体（１１）に形成された凹部（１１ａ、１１ｂ、１１ｃ）内に設けられた管端部である
   ことを特徴とする熱交換用セグメント。
6. 請求項１から４のいずれか１項に記載された熱交換用セグメントにおいて、
   前記セグメント本体の厚さ方向の所定の範囲は、前記セグメント本体内の外周側に設けられている第１主筋（１２）と、前記セグメント本体内の内周側に設けられている第２主筋（１３）との間の所定の範囲である
   ことを特徴とする熱交換用セグメント。
7. 請求項２から６のいずれか１項に記載された熱交換用セグメントにおいて、
   前記熱交換用セグメントは、前記周方向に接続するための管端部を、隣接する熱交換用セグメントの前記周方向に接続するための管端部に、前記長手方向に接続するための管端部を、隣接する熱交換用セグメントの前記長手方向に接続するための管端部に接続することにより、複数の前記熱交換器で形成される流体循環路が、前記トンネルの周方向、及び／又は、前記トンネルの長手方向に、一筆書き状に接続された熱交換器群（５）を形成するものである
   ことを特徴とする熱交換用セグメント。
8. 請求項７に記載された熱交換用セグメントにおいて、
   前記熱交換器群は、前記熱交換器群の一方の管端部が、前記トンネルの前記長手方向に配置される往路用主管路に、前記熱交換器群の他方の管端部が、前記トンネルの前記長手方向に配置される復路用主管路に接続されている
   ことを特徴とする熱交換用セグメント。
9. 請求項７又は８に記載された熱交換器群を有するトンネル側の熱交換装置（２）と、
   前記熱交換器群で採取した前記トンネル側の熱を利用して、前記トンネルの外部に設けられている熱制御対象物を加熱又は冷却するための熱交換を行う負荷側熱交換部とを備えている
   ことを特徴とするトンネル利用熱交換システム。
10. 請求項７又は８に記載された熱交換器群と接続され、前記熱交換器群で前記トンネルの地中、又は、空気を含む流体と熱交換された熱を移動させるための第１循環流体が循環する第１流体循環路（２５）と、
    前記トンネルの外部に設けられている熱制御対象物を加熱又は冷却するための熱交換を行う負荷側熱交換部に第２循環流体が循環する第２流体循環路（４１）と、
    前記第１流体循環路と前記第２流体循環路との間に設けられ、前記第１循環流体を熱源として、前記第１循環流体より高温又は低温の前記第２循環流体を造成するヒートポンプ（４）とを備えている
    ことを特徴とするトンネル利用熱交換システム。

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