JP2019049396A - コイル型熱交換器の設置方法及びそれに用いる組立体 - Google Patents

Abstract

【課題】コイル型熱交換器の設置作業を効率的に行うことができる技術を提供する。【解決手段】内部にコイル型熱交換器１０を収納した保護管２０を、地中方向に延長して形成された設置穴Ｐに挿入する。ついで、設置穴Ｐの内部において、保護管２０を地中方向に下降させる。保護管２０の下降途中において、コイル型熱交換器１０の上部の移動を制約する。これにより、保護管２０の下降につれて、コイル型熱交換器１０を、保護管２０の外部に順次抜き出す。【選択図】図４

Description

本発明は、コイル型熱交換器の設置方法及びそれに用いる組立体に関するものである。

地中温度は、地下約１０メートル以深では、その地域における年間の平均気温にほぼ等しいという性質を持つ。そのため、地中を熱源（冷熱源又は温熱源）として用いる地中熱利用システムが研究されている。そのような従来の地中熱利用システムの一例を図１に示す。

図１のシステムは、地中用の熱交換器１と、ヒートポンプ２と、冷暖房機器３とを備えている。熱交換器１は、地中に埋設された配管により構成されており、配管の内部を熱媒体が通過できるようになっている。ヒートポンプ２は、熱交換器１と冷暖房機器３との間で熱を移動させるようになっている。冷暖房機器３は、用途に応じて室内又は室外に設置される。

図１のシステムによれば、冷暖房機器３における冷房運転時には、ヒートポンプで加温された熱媒体を地中に送り、地中との熱交換により熱媒体を冷却することができる。一方、冷暖房機器３の暖房運転時には、冷却された熱媒体を地中に送り、この熱媒体を地中で加温することができる。これにより、システム全体として省エネルギーに寄与することが期待されている。

ところで、大地の熱交換可能量は大きくない。このため、熱交換器１としては、長尺（例えば１００ｍ程度）のＵ字管を用いて、地中深くまで埋設することが行われている。しかしながら、このような長尺物を埋設できるほどの深い穴を形成するには、一般的にはボーリングが必要となり、施工コストが増大するという問題がある。

そこで、本発明者らは、二重螺旋構造を持つコイル型熱交換器を提案している（下記特許文献１参照）。このコイル型熱交換器によれば、吊り下げたときの重量バランスが良いため、地中への設置作業の効率を向上させることができると期待される。しかしながら、コイル型熱交換器は、長尺であるため、施工現場での設置作業や施工現場への運搬作業において、さらに改善の余地がある。

また、下記特許文献２では、基礎杭を利用してコイル型熱交換器を埋設する技術を提案している。この技術では、内部に熱交換器を収容した筒状の第１段の基礎杭を、竪穴に挿入する。ついで、第２段の基礎杭を第１段の基礎杭の上部に接続した後、コイル型熱交換器を、第２段の基礎杭の上端まで引き上げる。この作業を必要な段数だけ繰り返すことで、必要な深さまでコイル型熱交換器を埋設する。

しかしながら、この技術は、あくまで基礎杭の利用を前提としたものである。基礎杭の位置や本数は、構造上の条件により決められていて制約が多いため、この特許文献２の技術では、単位面積当たりの熱交換能力を高めることは難しいと予想される。また、コイル型熱交換器を基礎杭内部で引き上げる際に、熱交換機の外周面と基礎杭内面とが擦れ合うため、熱交換器に損耗を生じる可能性がある。

特開２０１７−２６１７５号公報（図２及び図５参照） 特開２０１６−１７６５２号公報

本発明は、前記した状況に鑑みてなされたものである。本発明の主な目的の一つは、コイル型熱交換器の設置作業を効率的に行うことができ、かつ、その損傷の可能性を低減させることができる技術を提供することである。本発明の他の目的は、コイル型熱交換器を施工現場へ運搬する作業、あるいは現場でこの熱交換器を設置する作業の効率を向上させることができる技術を提供することである。

前記した課題を解決する手段は、以下の項目のように記載できる。

（項目１）
下記のステップを備える、コイル型熱交換器の設置方法：
（１）内部にコイル型熱交換器を収納した保護管を、地中方向に延長して形成された、前記コイル型熱交換器の設置用の設置穴に挿入するステップ；
（２）前記設置穴の内部において、前記保護管を前記地中方向に下降させるステップ；
（３）前記ステップ（２）の途中において、前記コイル型熱交換器の上部の移動を制約することにより、前記保護管の下降につれて、前記コイル型熱交換器を、前記保護管の外部に順次抜き出すステップ。

（項目２）
前記ステップ（２）において、前記保護管を、前記コイル型熱交換器の巻き方向とは逆方向に回転させることにより、前記保護管から抜き出された部分における前記コイル型熱交換器の外径を、前記保護管が回転しない場合に比較して拡大させるステップをさらに備える
項目１に記載のコイル型熱交換器の設置方法。

（項目３）
前記保護管に接続された長尺状のロッドを用いており、
地表面側から前記ロッドを介して前記保護管を押し下げることにより、前記ステップ（２）における前記保護管の下降を行う構成となっている
項目１又は２に記載のコイル型熱交換器の設置方法。

（項目４）
下降中の前記保護管を、前記ロッドを介して、前記コイル型熱交換器の巻き方向とは逆方向に回転させるステップをさらに備える
項目３に記載のコイル型熱交換器の設置方法。

（項目５）
コイル型熱交換器と、このコイル型熱交換器を内部に収納した保護管とを備えており、
前記コイル型熱交換器の軸線方向は、前記保護管の軸線方向と一致させられており、
前記保護管の内部における前記コイル型熱交換器は、前記コイル型熱交換器を地中に設置した状態に比較して、軸線方向において圧縮されており、
かつ、前記コイル型熱交換器の少なくとも上部は、前記保護管に対して抜き出し可能な構成とされている
組立体。

本発明の設置方法によれば、コイル型熱交換器の設置作業を効率的に行うことができ、かつ、その損傷の可能性を低減させることができる。また、本発明の組立体によれば、コイル型熱交換器を施工現場へ運搬する作業、あるいは現場でこの熱交換器を設置する作業の効率を向上させることができる。

熱交換器を用いた従来の地中熱利用システムを概念的に説明するための説明図である。 本発明の一実施形態に係る組立体の一部を破断した側面図である。 図２の組立体に用いるコイル型熱交換器を伸長した状態の、中間部を省略した斜視図である。 本実施形態におけるコイル型熱交換器の設置方法の説明図である。

以下、本発明の一実施形態に係るコイル型熱交換器（以下単に「熱交換器」と略称することがある）の設置方法を、添付の図面を参照しながら説明する。まず、説明の前提として、この設置方法に用いるコイル型熱交換器の組立体（以下単に「組立体」と略称することがある）の構成を、図２を参照しながら説明する。

（組立体の構成）
本実施形態の組立体は、コイル型熱交換器１０と、このコイル型熱交換器１０を内部に収納した保護管２０とを主要な構成として備えている。この組立体は、保護管２０に接続された長尺状のロッド３０を追加的な要素として備えている。

（コイル型熱交換器）
本実施形態のコイル型熱交換器１０としては、第１螺旋部１１と第２螺旋部１２とを有する二重螺旋構造のものが用いられている（図３参照）。第１螺旋部１１と第２螺旋部１２とは、それらの下端において、略Ｓ字状の接続部１３により接続されている。これにより、第１螺旋部１１及び第２螺旋部１２の一方を通過した熱媒体は、接続部１３を介して他方に通過できるようになっている。このような構造の熱交換器は、前記した特許文献１と同様に構成することができるので、これ以上詳しい説明は省略する。なお、図３においては、コイル型熱交換器１０が、軸線方向にやや伸長させられた状態を示している。

本実施形態のコイル型熱交換器１０の軸線方向は、保護管２０の内部に収納された状態において、保護管２０の軸線方向（図２において上下方向）と一致させられている。

本実施形態のコイル型熱交換器１０における第１螺旋部１１の上端部１１１と、第２螺旋部１２の上端部１２１とは、いずれも、保護管２０の外部に延長されている（図２参照）。

また、保護管２０の内部におけるコイル型熱交換器１０は、コイル型熱交換器１０を地中に設置した状態に比較して、軸線方向において圧縮されている（図２参照）。つまり、保護管２０に収納された状態のコイル型熱交換器１０は、第１螺旋部１１の周回部と第２螺旋部１２の周回部とが近接あるいは密着した状態となっている。

コイル型熱交換器１０の少なくとも上部は、保護管２０に対して抜き出し可能な構成とされている。より具体的には、本実施形態のコイル型熱交換器１０は、その下端部のみが保護管２０に固定されており、それ以外の部分においては、保護管２０に対して、その軸線方向に移動可能な状態となっている。例えば、コイル型熱交換器１０の接続部１３のみを、適宜な方法で、保護管２０の内面に固定することができる。

本実施形態のコイル型熱交換器１０を構成する配管の材質としては、樹脂管あるいは樹脂−金属複合管を用いることができるが、必要な機能を発揮できるものであれば、これらには制約されない。また、配管の形状としては、例えば、ストレート管やコルゲート管を用いることができるが、これらには制約されない。

（保護管）
本実施形態の保護管２０は、中空筒状の本体部２１と、先端部２２と、取付部２３とを備えている。

本体部２１は、本実施形態では中空の円筒状に形成されているが、コイル型熱交換器１０を内部に収納できるのであれば、例えば断面多角形状であってもよい。また、本体部２１の材質としては、例えば鋼製とすることができるが、必要な機械的強度や耐久性を得られるのであれば、他の金属あるいは合成樹脂を用いることもできる。

先端部２２は、本体部２１の先端に形成されており、地中方向（図２において下方向）に向けて尖った錐体状に形成されている。先端部２２の材質としては、本体部２１と同様とすることも異ならせることもできる。先端部２２の機械的強度を本体部２１より強化することも可能である。

取付部２３は、ロッド３０の先端（図２において下端）を一時的に固定するための部分であって、例えば、ロッド３０の先端を螺合させるナットとこのナットを保護管２０の内面に固定するステーとから構成される。ただし、ロッド３０の固定手段はこれに制約されず、例えば、遠隔操作によりロッド３０を取り外し可能な固定手段を用いることもできる。

（ロッド）
本実施形態のロッド３０は、長尺の円柱状に構成されている。ロッド３０の下端は、保護管２０の下端部に、取り外し可能な状態で固定されている。具体的には、本実施形態のロッド３０の下端は、前記したように、保護管２０の取付部２３に固定されている。ロッド３０の材質としては、例えば、鋼製とすることができるが、これには制約されない。

（コイル型熱交換器の設置方法）
つぎに、図４をさらに参照して、本実施形態に係るコイル型熱交換器１０の設置方法について説明する。前提として、設置時には、コイル型熱交換器１０は、組立体の状態（図２に示す状態）になっているものとする。なお、後述するように、ロッド３０を保護管２０に取り付ける作業は、通常、現場において行われる。

（図４（ａ）…設置穴の形成）
まず、地面Ｇに、地中方向に延長された設置穴（竪穴）Ｐを形成する。設置穴Ｐの大きさとしては、例えば、深さ１５ｍ程度、掘削径約５００ｍｍ程度とすることができるが、これはあくまで一例であり、寸法に制約はない。このような設置穴Ｐは、例えばアースオーガや特殊なスクリューを用いて形成できるが、ボーリングにより形成することもできる。

（図４（ｂ）…保護管の挿入）
ついで、内部にコイル型熱交換器１０を収納した保護管２０を、設置穴Ｐに挿入する。この作業は、例えば、ロッド３０を用いて組立体をバックホーやクレーンなどにより吊り上げ、設置穴Ｐに向けて下降させることで実施できる。本実施形態では、地表から約３ｍ程度まで、コイル型熱交換器１０と保護管２０とを一緒に下降させる。なお、この図では、作業者１００を大きさの比較のために模式的に示した。

（図４（ｃ）…熱交換器の抜き出し）
ついで、保護管２０（あるいはコイル型熱交換器１０の周回部分の上端）が所定深さに達した時点で、コイル型熱交換器１０の移動を制約する。具体的には、第１螺旋部１１の上端部１１１と第２螺旋部１２の上端部１２１とを一時的に固定し、その下降を阻止する。一方で、ロッド３０をさらに下方に押し込むことにより、保護管２０を地中方向に下降させる。固定手段として，例えば上端部１１１と１２１に並行して鎖、テープ、ロープなどの引張材を添わせて固定することもできる。これにより上端部１１１と１２１にかかる引張り力を軽減することができる。さらに、引張材を軸線と平行な方向（図３において下向きの方向）に延長して、コイル型熱交換器１０を構成する各々の螺旋管（各周回部）の外面に固定すれば，螺旋を構成する周回部のピッチ（周期的間隔）を所定の範囲に保持することができる。

すると、保護管２０の下降に伴い、コイル型熱交換器１０の上部は、順次保護管２０から引き出される。本実施形態では、コイル型熱交換器１０の少なくとも上部を保護管２０に対して抜き出し可能としているので、この引き出し作業を円滑に行うことができる。

ここで、本実施形態においては、コイル型熱交換器１０と地面Ｇとの相対移動を一時的に固定した状態で、保護管２０からコイル型熱交換器１０を引き出しているので、引き出されたコイル型熱交換器１０は、設置穴Ｐの内面に対してほぼ静止状態（すなわち相対移動しない状態）となっている。コイル型熱交換器１０と設置穴Ｐの内面とが擦れ合った場合には、地中の岩石や異物との干渉により、コイル型熱交換器１０が損耗するおそれがある。これに対して、本実施形態によれば、このような損耗の可能性を低減させた状態で、コイル型熱交換器１０を設置できるという利点がある。

また、本実施形態では、コイル型熱交換器１０を保護管２０から抜き出すと同時に、保護管２０を、ロッド３０を介してコイル型熱交換器１０の巻き方向とは逆方向に回転させる。例えば、コイル型熱交換器１０の巻き方向が時計方向とすれば、反時計方向にロッド３０を回転させることで保護管２０を回転させる。もし、保護管２０が回転しない場合、抜き出されたコイル型熱交換器１０は、軸線方向に伸長されるので、その外径はわずかに縮小する。すると、コイル型熱交換器１０と設置穴Ｐの内面との接触面積が小さくなり、熱交換効率が劣化するおそれがある。これに対して、本実施形態では、保護管２０を回転させることにより、保護管２０から抜き出された部分におけるコイル型熱交換器１０の外径を、保護管２０が回転しない場合に比較して拡大させることができる。これにより、本実施形態によれば、熱交換器１０と設置穴Ｐとの密着性を改善させて、熱交換効率の向上を期待できるという利点がある。

（図４（ｄ）…保護管の着底）
保護管２０の回転は、保護管２０の底部が設置穴Ｐの底部に到着するまで行われる。ここで、一般に、設置穴Ｐの内部には、地下水や泥などが堆積していることがある。このような場合には、保護管２０を自由落下させたとしても、保護管２０が所定の深さまで達しない可能性がある。また、保護管２０の下部に重量物を吊り下げてその自重を増す方法もあるが、その場合は、重量物の分だけ設置穴Ｐを深くしなければならず、設置コストが増大する等の問題を生じる。本実施形態では、ロッド３０を介して保護管２０を押し下げているので、重量物を用いなくても、保護管２０を確実に着底させることができるという利点がある。

保護管が着底した状態では、コイル型熱交換器１０は、所定の長さに伸長されているので、この熱交換器１０を介して地中との熱交換を行うことができる。また、本実施形態では、地表から３ｍ程度より深い位置において、コイル型熱交換器１０を引き出し始めているので、外気温に影響されにくい位置において熱交換を行うことができ、熱交換の効率を向上させることができる。

コイル型熱交換器１０が着底した後、ロッド３０を保護管２０から取り外し、適宜な方法で、設置穴Ｐの開口部を塞ぐ。これにより、コイル型熱交換器１０の設置を完了させることができる。

（組立体の製造）
ついで、本実施形態に係る組立体の製造方法の一例について説明する。まず、適宜な芯材の外周に配管を巻き付けることで、コイル型熱交換器１０を形成する（例えば特許文献１の図８参照）。この状態では、コイル型熱交換器１０の隣接する周回部どうしを密着した状態とする。ついで、保護管２０をコイル型熱交換器１０の外側に被せる。これにより、保護管２０の内部にコイル型熱交換器１０が収納された組立体を簡便に製造することができる。ここで、コイル型熱交換器１０の下端（例えば接続部１３）は、保護管２０の先端近傍に、適宜な手段で固定するものとする。ついで、コイル型熱交換器１０が巻き付けられた芯材を熱交換器１０から除去して、熱交換器１０を運搬可能な状態とする。ただし、芯材を除去しないことも可能である。芯材を残せば、保護管２０の内部においてコイル型熱交換器１０のらせん形状が崩れることを防止できる。また、芯材を中空円筒にすれば、ロッド３０との接触によるコイル型熱交換器１０の損傷を防ぐことができる。

本実施形態では、コイル型熱交換器１０を軸線方向において圧縮した状態で保護管２０の内部に収納できるので、組立体全体としての長さを短くすることができる。例えば、組立体の全長を４ｍ程度又はそれ以下とすれば、トラック輸送が容易になるという利点もある。組立体に芯材を残した状態で運搬する場合は、芯材を含めた組立体全体の長さを４ｍ程度又はそれ以下とすることが好ましい。

また、本実施形態では、コイル型熱交換器１０を二重螺旋管構造としたので、その中心に、配管のない中空部を形成することができる。このため、この中空部を利用して、ロッド３０の端部を保護管２０の取付部２３に固定する作業が容易となるという利点もある。ロッド３０を保護管２０に取り付ける作業は、通常、現場で行われるので、この作業を容易化することにより、現場での作業時間を短縮することができる。

なお、本発明の内容は、前記実施形態に限定されるものではない。本発明は、特許請求の範囲に記載された範囲内において、具体的な構成に対して種々の変更を加えうるものである。

例えば、前記した実施形態では、ロッド３０を用いて保護管２０を回転させるものとしたが、ロッド３０を省略して、保護管２０をワイヤやチェーンなどで吊り下げることにより、保護管２０が設置穴Ｐの内部で自由に回転できる構成としてもよい。このようにすると、コイル型熱交換器１０が引き出されるにつれて、コイル型熱交換器１０自体からの回転トルクによって保護管２０が自転する。この場合も、引き出されたコイル型熱交換器１０の外径を拡大することができる。

さらに、本実施形態では、ロッド３０を介して保護管２０を押し下げる構成としたが、地盤の状況によっては、ロッド３０を省略し、保護管２０の自由落下だけで設置穴Ｐ内で着底させることも可能である。

１０ コイル型熱交換器
１１ 第１螺旋部
１１１ 第１螺旋部の上端部
１２ 第２螺旋部
１２１ 第２螺旋部の上端部
１３ 接続部
２０ 保護管
２１ 本体部
２２ 先端部
２３ 取付部
３０ ロッド
１００ 作業者
Ｐ 設置穴
Ｇ 地面

Claims (5)

1. 下記のステップを備える、コイル型熱交換器の設置方法：
   （１）内部にコイル型熱交換器を収納した保護管を、地中方向に延長して形成された、前記コイル型熱交換器の設置用の設置穴に挿入するステップ；
   （２）前記設置穴の内部において、前記保護管を前記地中方向に下降させるステップ；
   （３）前記ステップ（２）の途中において、前記コイル型熱交換器の上部の移動を制約することにより、前記保護管の下降につれて、前記コイル型熱交換器を、前記保護管の外部に順次抜き出すステップ。
2. 前記ステップ（２）において、前記保護管を、前記コイル型熱交換器の巻き方向とは逆方向に回転させることにより、前記保護管から抜き出された部分における前記コイル型熱交換器の外径を、前記保護管が回転しない場合に比較して拡大させるステップをさらに備える
   請求項１に記載のコイル型熱交換器の設置方法。
3. 前記保護管に接続された長尺状のロッドを用いており、
   地表面側から前記ロッドを介して前記保護管を押し下げることにより、前記ステップ（２）における前記保護管の下降を行う構成となっている
   請求項１又は２に記載のコイル型熱交換器の設置方法。
4. 下降中の前記保護管を、前記ロッドを介して、前記コイル型熱交換器の巻き方向とは逆方向に回転させるステップをさらに備える
   請求項３に記載のコイル型熱交換器の設置方法。
5. コイル型熱交換器と、このコイル型熱交換器を内部に収納した保護管とを備えており、
   前記コイル型熱交換器の軸線方向は、前記保護管の軸線方向と一致させられており、
   前記保護管の内部における前記コイル型熱交換器は、前記コイル型熱交換器を地中に設置した状態に比較して、軸線方向において圧縮されており、
   かつ、前記コイル型熱交換器の少なくとも上部は、前記保護管に対して抜き出し可能な構成とされている
   組立体。

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