JP2018115785A - 採熱用管機構及びその製造方法、並びに空調装置 - Google Patents

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Abstract

【課題】水漏れが起こりにくい採熱用管機構及びその製造方法、並びにこれを用いた空調装置を提供する。【解決手段】空調装置は、地中に配される採熱用管機構10と、外部空間から建物へ空気を供給する空気供給機構と、熱交換用の水の循環を行う水循環機構と、を備える。採熱用管機構10は、一方から他方へ空気を流す第1流路11Xを有する管部材11と、一方から他方へ熱交換用の地下水を流す第2流路12Xを有する螺旋管12と、給水機構15を備える。給水機構15は、第2流路12Xの開口端部を塞ぐ閉塞部材15Cと、閉塞部材15Cを貫通する貫通パイプ15Pと、貫通パイプ15Pに接続されたエルボ管15Lと、エルボ管15Lに接続された配管15Hと、を備える。【選択図】図5

Description

本発明は、採熱用管機構及びその製造方法、並びに空調装置に関する。
近年、通年の温度変動が小さい地中熱を利用して建物の冷暖房等を行う空調装置が注目されている。かかる空調装置110の一例を、図1Aに示す。この装置110は、地中熱の採取用に、管軸方向C111を略水平方向に向けながら地中に埋設された採熱用管機構111を有している。そして、同装置110によれば、一方の管端部111eaから採熱用管機構111内に空調用の空気が取り込まれて同管部材111内を流れた後に、当該空気は他方の管端部111ebから取り出される。これにより、空気は、夏場には冷却され冬場には加温される。そして、冷却又は加温された空気は、畜舎等の農業施設、集合住宅や公共の体育館等の一般施設、工場等の工業施設の如き大きな空間を有する建屋120の空調等に供される。
ところで、地中における通年の温度変動は、図1Bに示すように、地表からの深さに応じて変化する。例えば深さ5m未満の浅い位置では、年間の温度変動は大きいが、深さ5m以上の深い位置では、年間の温度変動がほぼ無視できる程度に小さくなって、その略一定の温度値は、同位置の年間平均気温と概ね一致する。そのため、一般に採熱用管機構111の埋設深さを5m以上にすれば、地中熱との間で良好な熱交換性が担保される。これに対して、5m未満にした場合には、上記の5m以上の場合と比べて、夏場での空気の冷却能力及び冬場での空気の加温能力が劣ってしまう。
一方、採熱用管機構111を地中に埋設する際の掘削コストは高く、そして、同コストは、掘削深さが深くなるに連れて増大する。そのため、同管部材111の埋設深さを極力浅くしたいという要望がある。かかる要望に応えるべく、夏場の冷却能力及び冬場の加温能力の向上と、掘削コストの低減との両立を可能にする空調装置が提案されている(例えば、特許文献1)。
特許文献1に記載の空調装置は、採熱用管機構111に替えて、図1Cに示すような採熱用管機構111aを用いる。この採熱用管機構111aは、空気が通る中空部Xaを有する管状体111aaと、管状体111aaの周部において螺旋状に配された水路111awと、を備える。また、水路111awの両端部には、熱交換用の水を給水する給水管やこれを排水する排水管が設けられ、給水管や排水管としては、図1Dに示すように、管状体111aaの内周面から水路111awに向けて貫通するジョイント構造111ajを備える。このような水路111awに水を上記管部材111aの一方の管端部111aeaから他方の管端部111aebへと流すようにすれば、同管部材111aを地中の深さ5m未満の浅い位置に埋設した場合に生じ得る地中熱の夏場の冷却能力の低下分及び冬場の加温能力の低下分を、当該一方の管端部111aeaから他方の管端部111aebへと流れる水との熱交換によって補うことができる。
特開2015−212606号公報
ところが、採熱用管機構111aを採用した空調装置を運転すると、ジョイント構造111ajの周辺から水が漏れる可能性があることが判明した。かかる事象は、採熱用管機構111を地中に埋設する場合に限らず採熱用管機構111を地上に設置する場合にも同様である。
本発明は、斯かる実情に鑑み、水漏れが起こりにくい採熱用管機構及びその製造方法、並びにこれを用いた空調装置を提供しようとするものである。
本発明は、一方から他方へ第1物質を流す第1流路を有する第1管部材と、前記第1管部材に形成され、一方から他方へ第2物質を流す第2流路を有する第2管部材と、を備え、前記第2管部材及び前記第1管部材を介して、前記第1物質及び前記第2物質の熱交換を行う採熱用管機構であって、前記第2管部材の端部の開口を塞ぐ閉塞部と、前記閉塞部を貫通する貫通パイプと、を備えたことを特徴とする。
本発明は、一方から他方へ第1物質を流す第1流路を有する第1管部材と、前記第1管部材に形成され、一方から他方へ第2物質を流す第2流路を有する第2管部材と、を備え、前記第2管部材及び前記第1管部材を介して、前記第1物質及び前記第2物質の熱交換を行う採熱用管機構であって、前記第2流路を形成する部材を貫通し、前記第2流路と外部空間を連通する貫通パイプを備え、 前記貫通パイプによる貫通部分の厚さは、前記第2流路を形成する部材の他の部分よりも厚いことを特徴とする。
本発明は、一方から他方へ第1物質を流す第1流路を有する第1管部材と、前記第1管部材に形成され、一方から他方へ第2物質を流す第2流路を有する第2管部材と、を備え、前記第2管部材及び前記第1管部材を介して、前記第1物質及び前記第2物質の熱交換を行う採熱用管機構であって、前記第2流路と外部空間とを連通する前記第2物質の経路は、前記第1物質及び前記第2物質の熱交換経路を避けるように設けられたことを特徴とする。
本発明の採熱用管機構の製造方法は、流路を有する螺旋管に対し前記流路の開口端部を閉塞する閉塞工程と、前記流路を外部空間と連通させる連通工程と、を備え、前記連通工程では、閉塞部に貫通パイプを貫通させることを特徴とする。
本発明によれば、水漏れが起こりにくい採熱用管機構や空調装置を提供することができる。
従来の空調装置の概要を示す側面図である。 地表からの深さと地中の温度との関係を月別に示すグラフである。 従来の採熱用管部材の概要を示す斜視図である。 従来の採熱用管部材の概要を示す断面図である。 空調装置の概要を示す側面図である。 採熱用管部材の概要を示す斜視図である。 採熱用管部材の概要を示す側面図である。 (A)は、採熱用管部材の概要を示す正面図である。(B)は、(A)中の破線部の拡大図である。 採熱用管機構10の製造方法をフローチャートである。 第2流路機構81を示す断面図である。 採熱用管機構10の概要を示す部分拡大図である。
図2に示すように、空調装置2は、地中GNDに配される採熱用管機構10と、外部空間GX及び採熱用管機構10を連通する第1ダクト機構20と、採熱用管機構10及び建物120を連通する第2ダクト機構30と、外部空間GXから建物120へ空気を供給する空気供給機構50と、熱交換用の水の循環を行う水循環機構60と、を備える。
図3〜4に示すように、採熱用管機構10は、一方から他方へ空気(第1物質)を流す第1流路11Xを有する管部材11と、一方から他方へ熱交換用の地下水(第2物質)を流す第2流路12Xを有する螺旋管12と、を備える。なお、管部材11と螺旋管12とは一体となっていることが好ましい。
管部材11は、円筒状に形成されるものであり、地中GNDにおいてほぼ水平方向に配される。採熱用管機構10として、管部材11が複数用いられる場合、隣り合う管部材11の第1流路11Xの端部の開口が正対するように配される。螺旋管12は、採熱用管機構10の管軸方向C1周りに螺旋状に延びるものであり、管部材11の外周面11Gにおいて外側へ突設される。
図2に戻って、採熱用管機構10は、さらに、第2流路12Xの一方の開口端部に設けられた給水機構15と、第2流路12Xの他方の開口端部に設けられた排水機構16と、を備える。
図5に示すように、給水機構15は、第2流路12Xの開口端部を塞ぐ閉塞部材15Cと、閉塞部材15Cを貫通する貫通パイプ15Pと、貫通パイプ15Pに接続されたエルボ管15Lと、エルボ管15Lに接続された配管15Hと、を備える。
閉塞部材15Cの厚さTH1は、第2流路12Xを形成する螺旋管12の厚さTH0よりも厚いことが好ましい。閉塞部材15Cには、外部空間と第2流路12Xとを連通する孔15CX(図8(C))が形成される。貫通パイプ15Pの一方側の端部は、孔15CXに挿入可能となっている。貫通パイプ15Pの一方側の端部を孔15CXに挿入すると、貫通パイプ15Pの一方側の端部開口は、第2流路12Xに開口する。貫通パイプ15Pの他方側の端部は、エルボ管15Lと接続している。これにより、給水機構15が、管部材11の外径方向R1(図5(A))や管軸方向C1(図4)において、管部材11よりも突出せずに済む。
なお、貫通パイプ15Pの一方側の端部開口は、閉塞部材15Cの壁面15CAに対して、面一となっていてもよいし、陥没または突出していてもよい。また、貫通パイプ15Pの一方側の端部の外周部には、オネジが形成されることが好ましい。さらに、孔15CXには、貫通パイプ15Pのオネジに螺合可能なメネジが形成されることが好ましい(図5(B))。加えて、貫通パイプ15Pの外周部には、シールテープが巻きつけられていることが好ましい。
排水機構16は、給水機構15と同様の構造であるためその詳細の説明は省略する。
図2に示すように、空気供給機構50は、ダクト機構20に設けられるポンプと、ダクト機構20に設けられる各種センサと、各部と接続するコントローラとを備える。コントローラは、各種センサからのセンシング信号を読み取り、各種ポンプの制御を行う。空気供給機構50より、外部空間の空気を地中の採熱用管機構10へ送るとともに、地中で熱交換された空気を建物120へ送ることができる。
水循環機構60は、給水機構15と排水機構16とをつなぐ配管61と、配管61を集約する配管ユニット62とを有する。配管ユニット62は、配管61に設けられるポンプ62Pと、配管61に設けられる各種センサ62Sと、各部と接続するコントローラ62Cなどを備え、配管61及び第2流路12X(図5)を含む循環路において、熱交換用の水の循環を行う。熱交換用の水として、年間ほぼ一定の温度である地下水を用いる。このような地下水を熱交換用の水として用いることにより、夏場における空気の冷却能力不足と、冬場における空気の加熱能力不足とを補うことができる。
ここで、空気供給機構50や水循環機構60の各種センサには、流量センサや温度センサ等が含まれる。
次に、空調装置2の使用方法について説明する。
図2に示すように、水循環機構60は、配管61及び第2流路12X(図5)を含む循環路において地下水を循環させる。空気供給機構50は、採熱用管機構10の第1流路11Xを介して、外部空間の空気を建物120へ送る。水循環機構60及び空気供給機構50によって、第1流路11Xを通過する空気は、管部材11周りの地中GNDと第2流路12Xを通過する水との間で熱交換が行われる。この結果、地中GNDと、地下水と、第1流路11Xを通過する空気と、の間で熱交換を効率よく行うことができる。
ここで、ポンプ62Pによる送液圧力を高めると、第2流路12Xにおける水圧が増大する。この結果、螺旋管12は、水圧増大によって膨れ上がるように変形する。従来技術では、給水機構15や排水機構16に相当するジョイント構造111ajの貫通パイプ111ap(図1D)は、螺旋管12のうち変形しやすい部分を貫通するため、水圧の増大によって、貫通パイプ111apと螺旋管12との隙間のシール効果が小さくなり、水漏れが起こりやすい。
一方、本発明では、図5に示すように、閉塞部材15Cの厚みTH1が、第2流路12Xを形成する螺旋管12の厚みTH0よりも厚いため、水圧の増大に起因する閉塞部材15Cの変形は、螺旋管12よりも起こりにくい。また、貫通パイプ15Pは、変形の起こりにくい閉塞部材15Cを貫通する。したがって、水圧の増大に起因する水漏れが起こりにくい。
また、従来技術(図1D)においては、ワッシャーを介したボルト締めにより、螺旋管12の内面に対して貫通パイプ111apを固定して、シール性を確保しようとしている。しかしながら、螺旋管12の内面は曲面である。さらに、後述するように、螺旋管12が押出成形体の場合には、成形の跡である微小な凹凸が螺旋管12の内面に残ってしまう。このような状態の螺旋管12の内面に対して、ワッシャーを介したボルト締めを用いて、貫通パイプ111apを固定しても、高いシール性は実現しにくい。本発明では、閉塞部材15Cに孔15CXを形成しそこに貫通パイプ15Pを螺合するため、従来技術に比べて、高いシール性を確保することができる。
熱交換率の観点からみると、第2流路12Xを形成する螺旋管12のうち、内周側の部分は、地下水と空気との熱交換が行われる経路(以下、熱交換経路と称する)となるため、当該部分はできるだけ薄くしたい。同様に、その外周側の部分は、地中GNDと地下水との熱交換が行われる熱交換経路となるため、当該部分もできるだけ薄くしたい。一方、第2流路12Xと外部空間とが連通する経路は、閉塞部材15Cのように、熱交換経路を避けるように設定されている。このため、熱交換率の低下を抑えながら、地下水の循環及び地下水の漏れ防止を行うことができる。すなわち、第2流路12Xと外部空間とにおける地下水の循環及び地下水の漏れ防止と、熱交換率の確保とを個別に設計しやすくなる。
さらに、閉塞部材15Cの孔15CXに貫通パイプ15Pを螺合する場合には、貫通パイプ15Pの開口方向が第2流路12Xにおける流れ方向に平行となるため、貫通パイプ111apの開口方向が第2流路12Xにおける流れ方向に直交する場合に比べ、第2流路12Xから貫通パイプ15Pに向けて水が流れやすくなる。したがって、熱交換率は向上する。
次に、採熱用管機構10の製造方法について説明する。
採熱用管機構10の製造方法は、図6に示すように、第2流路12Xを有する第2流路機構81を形成する第2流路形成工程90と、螺旋状の第2流路機構81から採熱用管機構10を形成する管機構形成工程92と、閉塞部材を用いて第2流路12Xの端部開口を閉塞する閉塞工程94と、閉塞部材15Cに孔を開ける穴あけ工程96と、閉塞部材15Cに貫通パイプ15Pを貫通させる貫通工程98と、を備える。
第2流路形成工程90では、金型を用いて、第2流路12Xとなる中空部を有する筒状体の第2流路機構81を形成する。本実施形態では、第2流路機構81の中空部は、図7に示すように断面台形状となっている。
管機構形成工程92では、第2流路機構81を螺旋状にして、隣接部81D同士を溶着させる。こうして、螺旋状の第2流路機構81から採熱用管機構10が形成される(図5)。このとき、第2流路機構81の断面方向において、第2流路機構81の内周部分81Nが管部材11として機能し、第2流路機構81の外周部分81Gが螺旋管12として機能する(図8(A))。
閉塞工程94では、閉塞部材15Cを用いて、第2流路12Xの端部開口12XXを閉塞する(図8(B))。図示するように、閉塞部材15Cは、第2流路12X内に配してもよいし、第2流路12Xの外側に配してもよい。閉塞部材15Cの材料としては、特に限定されないが、第2流路機構81と同じ材料や第2流路機構81よりも変形しにくい材料を用いることが好ましい。なお、閉塞部材15Cの材料として第2流路機構81よりも変形しやすい材料を用いる場合には、閉塞部材15Cの厚みを、第2流路機構81よりも変形しにくい程度のものとすればよい。
閉塞の方法としては、閉塞部材15Cの材料が合成樹脂であれば、溶着が好ましい。閉塞部材15Cや第2流路機構81の材料として用いられる合成樹脂としては、ポリエチレン等があり、中でも高密度ポリエチレンが用いられる。なお、閉塞部材15Cの材料が金属であれば溶接を用いてもよい。閉塞部材15Cや第2流路機構81の材料として用いられる金属としては、ステンレス鋼やアルミニウム合金等がある。また、閉塞の態様としては、閉塞部材15Cと採熱用管機構10との接触部分を溶着又は溶接を行ってもよいし、閉塞部材15C全体に対し溶着又は溶接を行ってもよい。
穴あけ工程96では、第2流路12Xと外部空間を連通する孔15CXを閉塞部材15Cに設け、孔15CXにメネジを形成する(図8(C))。
貫通工程98では、孔15CXに対して螺合可能な貫通パイプ15Pを螺合する(図8(D))。これにより、給水機構15や排水機構16を通して、第2流路12Xと外部空間とが連通する。
なお、管機構形成工程92は、閉塞工程94、穴あけ工程96及び貫通工程98よりも前に行ったが、本発明はこれに限られず、閉塞工程94、穴あけ工程96及び貫通工程98のうちいずれかの工程の後に行ってもよい。
なお、上記実施形態では、第1物質を空気とし、第2物質を地下水としたが、本発明はこれに限られない。例えば、第1物質は、窒素や酸素などの気体でもよいし、第2物質としては、温度が調節された水やその他の液体を用いてもよい。
なお、上記実施形態では、螺旋管12は、管部材11の外周面11Gにおいて外側へ突設されるとしたが(図5(B))、本発明はこれに限られず、管部材11の内周面11Nにおいて内側へ突設してもよいし、管部材11の肉厚部11Cに設けられてもよい。
上記実施形態では、採熱用管機構10を地中GNDに配したが、本発明はこれに限られず、採熱用管機構10を地上に配してもよい。採熱用管機構10を地上に配する場合には、管部材11と螺旋管12とが一体となった管ユニットを覆う囲い部材と、管ユニットと囲い部材との隙間に充填された充填材と、を備えることが好ましい。また、熱伝導率は、囲い部材、充填材、管ユニットの順に高くなることが好ましい。囲い部材は、3層構造となっており、断熱層と、断熱層の外側に位置する外層と、断熱層の内側に位置する内層と、を備えることが好ましい。断熱層は硬質ウレタンフォーム(硬質ポリウレタン発泡体)からなり、その熱伝導率は、充填材及び管ユニットよりも低い。外層の材料としては、鋼板等があり、内層の材料としては、アルミシート等がある。充填材としては、水、砂(川砂、山砂、珪砂など)、土等を用いてもよい。砂を用いる場合には、熱伝導率を高める目的から、含水状態の砂を用いることが好ましい。またさらに、熱伝導率を高める目的から、砂や土に対して、1〜20%の容積含有率で、酸化ケイ素、アルミナ及び高炉スラグのうち少なくとも1つからなる粒状物を混入させてもよい。
上記実施形態では、管部材11の周りに螺旋状の第2流路12Xを設けたが、本発明はこれに限られず、管部材11の周りに直線上の第2流路12Xを設けてもよい。
尚、本発明は、上記した実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々変更を加え得ることは勿論である。
2 空調装置
10 採熱用管機構
15 給水機構
15C 閉塞部材
15P 貫通パイプ
15L エルボ管
15H 配管
16 排水機構
20 第1ダクト機構
30 第2ダクト機構
50 空気供給機構
60 水循環機構


本発明の採熱用管機構は、一方から他方へ第1物質を流す第1流路を有する第1管部材と、前記第1管部材に形成され、一方から他方へ第2物質を流す第2流路を有する第2管部材と、を備え、前記第2管部材及び前記第1管部材を介して、前記第1物質及び前記第2物質の熱交換を行う採熱用管機構であって、前記第2管部材の端部の開口を塞ぐ閉塞部と、前記閉塞部を貫通する貫通パイプと、を備え、前記第2管部材は前記第1管部材の軸方向を中心に螺旋状に延び、前記第2管部材の端部の開口は、前記第2管部材の螺旋方向へ開口し、前記貫通パイプは、前記第2管部材の螺旋方向を向き、前記第1物質は気体であり、前記第2物質は液体であり、前記第1管部材と前記第2管部材とは、合成樹脂製であることを特徴とする。また、本発明の採熱用管機構は、一方から他方へ第1物質を流す第1流路を有する第1管部材と、前記第1管部材に形成され、一方から他方へ第2物質を流す第2流路を有する第2管部材と、を備え、前記第2管部材及び前記第1管部材を介して、前記第1物質及び前記第2物質の熱交換を行う採熱用管機構であって、前記第2管部材の端部の開口を塞ぐ溶着部と、前記溶着部を貫通する貫通パイプと、を備え、前記第1物質は気体であり、前記第2物質は液体であり、前記第1管部材と前記第2管部材とは合成樹脂製であることを特徴とする。
本発明の空調装置は、上記の採熱用管機構を備えたことを特徴とする。
本発明の採熱用管機構の製造方法は、流路を有する螺旋管の端部に形成された流路開口を閉塞状態にする閉塞工程と、前記流路を外部空間と連通させる連通工程と、を備え、前記連通工程では、前記螺旋管の閉塞部に貫通パイプを貫通させ、前記流路開口は螺旋方向へ開口し、前記貫通パイプは前記螺旋方向へ向き、前記螺旋管は、合成樹脂製であることを特徴とする。また、本発明の採熱用管機構の製造方法は、流路を有する螺旋管の端部に形成された流路開口を溶着する閉塞工程と、前記流路を外部空間と連通させる連通工程と、を備え、前記連通工程では、前記螺旋管の溶着部に貫通パイプを貫通させ、前記螺旋管は、合成樹脂製であることを特徴とする。

Claims (9)

  1. 一方から他方へ第1物質を流す第1流路を有する第1管部材と、
    前記第1管部材に形成され、一方から他方へ第2物質を流す第2流路を有する第2管部材と、を備え、
    前記第2管部材及び前記第1管部材を介して、前記第1物質及び前記第2物質の熱交換を行う採熱用管機構であって、
    前記第2管部材の端部の開口を塞ぐ閉塞部と、
    前記閉塞部を貫通する貫通パイプと、を備えたことを特徴とする採熱用管機構。
  2. 前記貫通パイプによる貫通部分の厚さは、前記第2流路を形成する部材の他の部分よりも厚いことを特徴とする請求項1記載の採熱用管機構。
  3. 一方から他方へ第1物質を流す第1流路を有する第1管部材と、
    前記第1管部材に形成され、一方から他方へ第2物質を流す第2流路を有する第2管部材と、を備え、
    前記第2管部材及び前記第1管部材を介して、前記第1物質及び前記第2物質の熱交換を行う採熱用管機構であって、
    前記第2流路を形成する部材を貫通し、前記第2流路と外部空間を連通する貫通パイプを備え、
    前記貫通パイプによる貫通部分の厚さは、前記第2流路を形成する部材の他の部分よりも厚いことを特徴とする採熱用管機構。
  4. 一方から他方へ第1物質を流す第1流路を有する第1管部材と、
    前記第1管部材に形成され、一方から他方へ第2物質を流す第2流路を有する第2管部材と、を備え、
    前記第2管部材及び前記第1管部材を介して、前記第1物質及び前記第2物質の熱交換を行う採熱用管機構であって、
    前記第2流路と外部空間とを連通する前記第2物質の経路は、前記第1物質及び前記第2物質の熱交換経路を避けるように設けられたことを特徴とする採熱用管機構。
  5. 前記管部材は合成樹脂からなることを請求項1ないし4のうちいずれか1項記載の特徴とする採熱用管機構。
  6. 前記管部材は押出成形体からなることを請求項1ないし5のうちいずれか1項記載の特徴とする採熱用管機構。
  7. 前記第1物質は気体であり、
    前記第2物質は液体であることを請求項1ないし6のうちいずれか1項記載の特徴とする採熱用管機構。
  8. 請求項1ないし7のうちいずれか1項記載の採熱用管機構を備えたことを特徴とする空調装置。
  9. 流路を有する螺旋管に対し前記流路の開口端部を閉塞する閉塞工程と、
    前記流路を外部空間と連通させる連通工程と、を備え、
    前記連通工程では、閉塞部に貫通パイプを貫通させることを特徴とする採熱用管機構の製造方法。
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