JP3936963B2 - 地中熱交換器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、地上と地下との温度差を、流体を効率良く熱交換器にて循環させることにより、地上での熱利用を可能にした装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
特許第２７００９９８号公報には、地下岩盤と地上の熱交換器との間に不凍液の循環路を設け、地熱を地上に運んで利用する従来の地中熱交換器が記載されている。
図７は、この従来の地中熱交換器を示し、外筒１００及び外筒１００内に挿入される内筒１１０を備えている。
【０００３】
外筒１００は、地盤１２０に掘削された坑井１３０に挿入されるものであり、符号１０２で示すように下端部が封鎖されている。この外筒１００と坑井１３０との間に硅砂からなるグラウト１４０が充填されることにより外筒１００の固定がなされている。
【０００４】
内筒１１０は、下端部１１１が開放され、上端部分は電熱器に連結されている。電熱器１７０は、チャンバ１５０を加熱するためのものである。内筒１１０は、管路２００によってポンプ１８０及び熱交換器１９０に接続されている。この従来の地中熱交換器は、坑井１３０の上部に断熱材２１０を充填することにより、グラウト１４０の熱を地上に漏洩しないようになっている。
【０００５】
かかる地中熱交換器は、ポンプ１８０の駆動によって不凍液からなる熱媒体を内筒１１０内に供給し、その下端部１１１から内筒１１０及び外筒１００の間に流通させる。この流通の間にグラウト１４０から伝達された地中熱が熱媒体に吸収され、地上の熱交換器１９０により熱交換される。これにより、地中熱の有効利用を図ることができる。
【０００６】
【発明が解決しよとする課題】
しかしながら、従来の地中熱交換器は、内外両筒を相対変位不能な２重管構造としており、設置後のメンテナンスについては考慮されておらず、設置後に分解、点検、修理を行うことが不可能となっている。
また、外筒１００と坑井１３０との間のグラウト１４０として硅砂を使用しているため、鉛直坑以外の坑井ヘの適用ができないという不便さを有している。
さらに、内筒１１０の下端部が外筒１００に当接した場合には、内筒１１０の下端部に対する熱媒体の流通が妨げられるため、熱交換を円滑に行うことができない問題を有している。
【０００７】
本発明は、このような従来の問題点を考慮してなされたものであり、設置後のメンテナンスが可能であるとともに、傾斜孔や水平孔などの坑井に対しても適用することができ、さらには、熱媒体の良好な循環を行うことができる地中熱交換器を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、請求項１の発明は、地盤に対し鉛直のみならず屈曲あるいは斜めに掘削された坑井内に挿入され、下端部が封鎖された外筒と、下端が開放されるとともに、下部の側壁部分に流体が流通する流通孔が設けられ、前記外筒内に隙間を有して挿入される内筒と、シリカなどの良熱伝導性素材を含みモルタル状に混練され、前記坑井と外筒との間に注入されて外筒を地盤に固定するグラウトと、地盤上方に突き出た外筒の上部及び内筒の上部を着脱自在に連結する連結機構とを備え、前記連結機構は、前記外筒の上端部分に取付けられるとともに前記内筒が挿通するサブナットにフクロナット及びユニオンナットが螺合するウエルヘッド部であることを特徴とする。
【０００９】
請求項２の発明は、請求項１記載の発明であって、前記外筒と前記内筒との隙間を保つセントラライザが、適宜間隔で設けられていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２記載の発明であって、前記内筒の浮力を相殺し、かつ内筒の変位を防止するカウンタウエイトが前記内筒の下部に取付けられていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の発明であって、前記内筒と外筒は、熱伝導性の異なった素材であり、内筒に比べて外筒の熱伝導特性が良好な素材であることを特徴とする。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の一実施の形態について、図面を参照して説明する。
図１は、この実施の形態の地中熱交換器を示し、地盤１に掘削された坑井２に外筒５及び内筒６からなる２重管構造体が挿入されている。
【００１４】
外筒５は、図２に示すように、継ぎ目部分としてのアプセット部７を介して耐腐食性の複数の金属管が溶接等により長手方向に連結されることにより形成されている。耐腐食性の金属管としては、ＳＵＳ３０４等のステンレス鋼管を使用することができる。また、外筒５の下端部は、ボトムキャップ１２によって封鎖されている。
【００１５】
内筒６は、ポリブテン等のプラスチック管あるいは金属管が使用され、これらが図２に示すように、ソケット１０を介して長手方向に連結されることにより形成されている。
内筒６と外筒５との間には、熱媒体が流通可能な隙間が形成される。
【００１６】
この場合、内筒６は、外筒５に対し同心円状に設けられることが熱媒体の流通性を確保する点で好ましい。このためアプセット部７に対応する各外筒５の下端部には、板状のセントラライザ８が設けられている。
図３は、このセントラライザ８の平面図を示し、内筒６の貫通孔８ａが中心部分に形成されている。また、この貫通孔８ａに向かって突出するリップ部８ｂが円周上に適宜間隔で形成されている。内筒６は、貫通孔８ａを貫通することにより、リップ部８ｂが内筒６の外周面に当接するため、外筒５との同心円状に配置することができる。
【００１７】
内筒６の下端部は、開放されることにより、熱媒体が下端部に流通することができる。これに加えて、この実施の形態では、図１及び図４に示すように、内筒６の下端部にサブ内筒１１が同軸的に連結されている。サブ内筒１１は、その側壁部分に流通孔１３が複数開口されており、この流通孔１３からも熱媒体の流通が可能となっている。従って、内筒６の下端部がボトムキャップ１２に当接しても、流通孔１３を介する熱媒体の流通が可能となり、熱媒体の流通を確実に確保できるため、熱交換を円滑に行うことができる。
【００１８】
外筒５及び内筒６の上部は、地盤上から抜き出ており、この抜き出し部分がウエルヘッド部２０によって着脱自在に連結されている。
図５は、この連結を行うウエルヘッド部２０を示し、最上部の外筒５の上端部分にＴ字継手２１が取付けられ、内筒６はこのＴ字継手２１を貫通している。内筒６の貫通部分にはサブナット２２が取付けられ、このサブナット２２にフクロナット２３及びユニオンナット２４が螺合している。従って、これらのナットを緩めることにより、外筒５との結合状態を解除することができ、内筒６を外筒５から引き出すことができる。これにより、外筒５を地盤１に挿入したままの状態で内筒６を引き抜くことができ、内筒６のメンテナンス、修理等を簡単に行うことができる。符号２６は、内筒６に挿入される温度センサのケーブルである。
【００１９】
図１及び図５に示すように、地盤１から上方に抜き出された外筒５の上端部分には挿通管２８が取付けられている。挿通管２８は、Ｔ字継手２１に螺合することにより、外筒５の内部と連通し、熱媒体の流通が行われる。なお、熱媒体としては、水、不凍液等を使用することができる。
【００２０】
外筒５及び坑井２の間には、グラウト４が充填される。この実施の形態において、グラウト４としては、良熱伝導性のものが使用される。良熱伝導性のグラウト４としては、セメントベントナイト溶液にシリカサンド等の紛体を混入し、混練したモルタル状のものを使用することができる。このように良熱伝導性のグラウト４を用いることにより、地中の熱を外筒５に効率よく伝達することができ、地中の熱の効率的な捕捉を行うことができる。
【００２１】
図１及び図４において、符号９はカウンタウエイトである。このカウンタウエイト９は、内筒６の下部の外周面を包囲するように内筒６に取付けられる。カウンタウエイト９は、ステンレス鋼管などの耐腐食性および大重量の管体が使用されており、内筒６に作用する浮力を相殺することができる。このため、内筒６が外筒５内で浮き上がることがなく、熱媒体の流通を確実に行うことができる。また、カウンタウエイト９は、その重量により内筒６に引張力を付与しており、このため内筒６の変位を抑制することができる。
【００２２】
図６は、ウエルヘッド部２０の変形形態を示す。この形態では、内筒６の上部にシール材３１が巻回され、このシール材３１がシールナット３２に押さえつけられて固定されている。このような構造では、内筒６の上部のシール性を簡単に確保することができる。
【００２３】
以下、この実施の形態の作用を説明する。
【００２４】
内筒６の下部に流通孔１３を設けているため、熱媒体の流路が確保され、循環が妨げられることなく、外筒５を地中に残したまま必要に応じて何時でも内筒６を引き抜き回収することができる。また、カウンタウエイト９が内筒６の外側を取り巻くように設けられ、内筒６に作用する浮力を相殺する。
【００２５】
外筒５と内筒６の接続をスクリュウジョイントによる構造とし、任意に着脱可能としたため、内筒６を回収しメンテナンスすることが可能である。すなわち、内部を循環する液体が水であれ、ポリエチレングリコールのような不凍液であれ、管内部の腐食による錆の発生等の劣化現象は避けることができないとともに、錆は循環する液体中に増加してポンプの故障の原因にもなるため、地中熱交換器の寿命を恒久的なものとするには、定期的なメンテナンスが必要なことであり、この実施の形態では、上述した構造とすることによりメンテナンスが可能となっている。
【００２６】
この実施の形態では、坑井２は鉛直である必要がない。すなわち、得ようとする地中の熱源に対して、例えば熱源の上部に避けることができない構造物があるとか、鉛直に掘削できない何らかの原因があるとか、もしくは、坑井の深さを短くできるとかの障害がある場合、これらの障害を取り除くことができ、また、経済的な設置の可能性も広げることができる。このことは、工業的には地熱発電ヘの応用が可能であり、寒冷地に於いては、施設の暖房や、道路の凍結防止に有用となり、夏場には地中の冷気を地上に送ることによる冷房も可能となり、幅広い利用価値がある。
【００２７】
【発明の効果】
請求項１の発明によれば、熱媒体の円滑な流通を確保することができ、内筒のメンテナンスも容易となる。また、鉛直のみならず屈曲あるいは斜めの坑井ヘの適用が可能となる。さらに、地中の熱を効率良く熱媒体に取り込むことができるため、効率の良い地中熱交換器とすることができる。
【００２８】
請求項２の発明によれば、内筒と外筒との間に隙間を確保することができるため、熱媒体を良好に流通させることができる。
【００３０】
請求項３の発明によれば、内筒の浮き上がりや変位を防止できるため、熱媒体の流通を確保できる。
【００３１】
請求項４の発明によれば、地中より取り込んだ熱を無駄なく地上に汲み上げることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施の形態による地中熱交換器の全体を示す縦断面図である。
【図２】本発明の一実施の形態による地中熱交換器の外筒の継ぎ目部分を示す縦断面図である。
【図３】本発明の一実施の形態による地中熱交換器のセントラライザの平面図である。
【図４】本発明の一実施の形態による地中熱交換器のカウンタウエイト部分の縦断面図である。
【図５】本発明の一実施の形態による地中熱交換器の内筒と外筒との連結部分の縦断面図である。
【図６】本発明に係る別の実施の形態による地中熱交換器の連結部分の縦断面図である。
【図７】従来の地中熱交換器の縦断面図である。
【符号の説明】
４ グラウト
５ 外筒
６ 内筒
７ アプセット部
８ セントラライザ
９ カウンタウエイト

Claims (4)

1. 地盤に対し鉛直のみならず屈曲あるいは斜めに掘削された坑井内に挿入され、下端部が封鎖された外筒と、
   下端が開放されるとともに、下部の側壁部分に流体が流通する流通孔が設けられ、前記外筒内に隙間を有して挿入される内筒と、
   シリカなどの良熱伝導性素材を含みモルタル状に混練され、前記坑井と外筒との間に注入されて外筒を地盤に固定するグラウトと、
   地盤上方に突き出た外筒の上部及び内筒の上部を着脱自在に連結する連結機構とを備え、
   前記連結機構は、前記外筒の上端部分に取付けられるとともに前記内筒が挿通するサブナットにフクロナット及びユニオンナットが螺合するウエルヘッド部であることを特徴とする地中熱交換器。
2. 前記外筒と前記内筒との隙間を保つセントラライザが、適宜間隔で設けられていることを特徴とする請求項１記載の地中熱交換器。
3. 前記内筒の浮力を相殺し、かつ内筒の変位を防止するカウンタウエイトが前記内筒の下部に取付けられていることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の地中熱交換器。
4. 前記内筒と外筒は、熱伝導性の異なった素材であり、内筒に比べて外筒の熱伝導特性が良好な素材であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の地中熱交換器。

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