JP4988205B2 - 建物の冷暖房システムに使用される地中熱交換器、及びその防食方法 - Google Patents

Description

本発明は、一戸建て住宅、集合住宅、ビルなどの建物に適用することができる広い伝熱面積を持ち、優れた熱交換効率を持つ地中熱交換器の構造とその防食方法に関するものである。

地中の温度は、夏は涼しく、冬は暖かいことから、地中熱交換器を地中に埋入して地中熱を回収することは既に周知である。
地中熱交換器の伝熱効率を高くするためには、地中熱交換器の伝熱面積をより広くする必要がある。本発明者の発明に係わる特許文献１の発明は、熱交換器の伝熱面を蛇腹状にしたり、あるいは内面にフィンを取付けて伝熱面積をより広くする発明であるが、蛇腹面では伝熱面積を大幅に広くすることは期待できない。またパイプの中を流れる空気との伝熱面積を広くしても肝心の大地との伝熱面積を広くすることにはならないので、地熱の熱吸収効率の大幅な改善は期待できないのが現状である。

これに関して本発明者らは大地との伝熱面積を広くするために、地中熱交換器の外側、長さ方向にフィンを溶接で取付ける発明を出願（特願2004-214184）しているが、フィンの取付けに溶接を利用するために、施工が面倒で、製造費用が高くなる欠点がある。

又、４ｍを超える長尺な地中熱交換器を施工地まで搬送するのは、多大な運送費がかかる問題もある。分割して搬送し、現地で組み立てるのが最も経済的である。

又、地中熱交換器は地中に埋入して設置するので、大地と接触する外管が、地中の腐食物質で腐食される問題もある。
地中熱交換器の寿命を長くするためには、外管の腐食対策も重要な課題である。

特許第３０３００２２号

本発明はかかる問題点に鑑みてなされたもので、本発明の第一の目的は、地中熱交換器外管にフィンをワンタッチで装着できる新しい構造の地中熱交換器を提供せんとするものである。また第二の目的は、短く分割して搬送し、現地で組み立てが出来る地中熱交換器の新しい構造を提供せんとするものである。また第三の目的は、簡便な方法で地中熱交換器外管の防食ができる新しい方法を提供せんとするものである。

上記各課題は例えば下記のような各手段を採用することにより解決することができる。
１．地中熱を利用して建物内に快適な空気を供給する冷暖房システムに使用される地中熱交換器であって、先端が封止され他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめ、前記外管の先端を下にして地下に埋入して、前記内管と前記外管との間の隙間に空気を流すことにより地熱と熱交換させる地中熱交換器において、前記外管の外表面には、その長さ方向に、底に広がる断面形状をもつ凹溝が複数形成されていると共に、前記凹溝の中に、金属製羽根の突起部であって先端が横に広がる突起部が嵌合されており、前記外管は、その長手方向に沿って、地中の最も深くに埋設される下端部と、その上方の胴体部と、その上方の地表近くに埋設される地表部との３つの部分に分割されており、前記胴体部は、アルミニウム又はアルミニウム合金製の両端が開放された筒状パイプから成り、約３，５００〜４，０００ｍｍの長さに形成されており、且つ、その外表面には、地熱の熱回収効率を高めるために、上下方向に延びる複数の金属製羽根が所定間隔で設けられており、前記地表部は、地表近くの温度変化の影響を受け難い断熱素材から成り、約１，０００ｍｍの長さに形成されており、且つその外表面には前記金属製羽根を備えていないものであり、前記下端部は、アルミニウム又はアルミニウム合金製で約５００ｍの長さに形成されており、且つその外表面には前記金属製羽根を備えていないものであり、前記下端部と前記胴体部とはそれぞれに設けられたフランジをボルト締めすることにより互いに着脱自在に接続されると共に、前記胴体部と前記地表部とはそれぞれに設けられたフランジをボルト締めすることにより互いに着脱自在に接続されている、ことを特徴とする、建物の冷暖房システムに使用される地中熱交換器。
２．上記１に記載の地中熱交換器の防食方法であって、地中の前記胴体部及び下端部の周辺に前記胴体部及び下端部よりも電気化学的に卑の金属を埋め込んでおき、この金属を前記胴体部及び下端部と電気的に導通させるようにした、ことを特徴とする、建物の冷暖房システムに使用される地中熱交換器の防食方法。

本発明は下記の効果を有する。
１．施工が簡単で、地熱の熱回収効率に極めて優れている。
２．短く分割して、現地で組み立てる構造であるので搬送費が安い。
３．防食性にすぐれている。

本発明の構造とその作用機能を図面で説明する。
図１は、本発明の地中熱交換器外管と金属の羽根の断面図である。図２は金属の羽根を外管に嵌めこんで装着した状態の斜視図である。
本発明外管は、アルミ等の良熱伝導性金属の薄板パイプを図１の断面形状に塑性加工したものであり、図のような底広がりの断面形状の凹溝が長さ方向に複数形成されている。
図中凹溝の数は12個であるが、適宜増減しても良い。
金属の羽根の断面は、図のような横に広がる突起を持ち、この突起部形状は外管凹溝と相似形で、外管凹溝より若干大きめに作られている。
金属の羽根は外管凹溝に嵌合して装着される。なお本発明で嵌合とは、焼き嵌め、冷し嵌めの両方をさすものである。

焼き嵌めの場合、外管を加熱して、凹溝を金属羽根の突起部よりも大きく膨張させた所で、凹溝の中に金属羽根を嵌めこみ、冷却すると、外管凹溝が収縮して金属羽根突起部の表面を圧縮して密着する。金属羽根は凹溝表面の収縮力で強固に固定される。
冷し嵌めの場合、金属羽根を常温以下に冷却して、金属羽根の突起部を凹溝よりも小さく収縮させた所で、凹溝の中に金属羽根を嵌めこみ、常温に戻すと、金属羽根が膨張して外管凹溝に密着する。金属羽根は膨張力で凹溝表面に強固に固定される。
焼き嵌め、冷し嵌め、何れの場合でも、凹溝と金属羽根は隙間無く強く密着しているので、良好な熱伝達が達成される。
なお凹溝の断面形状および金属羽根先端部の形状は、本例の形状に限定されるものではなく、凹溝は少なくとも底広がりであればいかなる形状でも良い。金属羽根先端部は凹溝の形状に合わせて相似形にして、若干大きめに作ればよい。外管、金属羽根の材質は、良熱伝導性で、塑性加工しやすいアルミあるいはアルミ合金が好ましい。

図３は、外管を分割形にした本発明地中熱交換器の構造を説明した図である。
本発明地中熱交換器は、外管を先端部、胴部、開口部に３分割する。開口部は、地表側、先端部は最も深く埋入される側である。
地中温度は６ｍ以上の深さでほぼ一定（平均温度）してくるが、夏場では２〜５ｍの深さ部分はこれよりも低く、冬場では逆に高くなる。したがって地中熱利用は地下５ｍの深さまでが最も経済的であるので、本発明地中熱交換器は、地下埋入部分の長さを５ｍまでとすることが好ましい。つまり先端部、胴部、開口部を併せた長さは、概ね５m程度までが好ましい。

一方、地表から500〜1000mm深さ部分は夏季温度が高く、冬季温度が低いために、地面に埋入した熱交換パイプの地表から500〜1000mm深さ部分はこの熱影響を受ける。通常、パイプ材料には熱伝導性に優れたアルミ合金が使用されているために、この熱影響はパイプのより深い部分にも伝播して、パイプが接触する地面よりも高くなる部分が発生する。当然パイプの熱交換効率を下げることとなる。

本発明地中熱交換器では、開口部は地表から500〜1000mm深さ埋入部分として、断熱材で形成して、地表からの熱影響を遮断する。
断熱材としては、セラミックスや樹脂類が好ましい。特に樹脂類が好ましい。

胴部、先端部は熱伝導性の良いアルミあるいはアルミ合金で形成し、上記した外管凹溝は、胴部に形成する。
胴部、先端部を併せた長さは、４〜４．５ｍ、先端部を0.5ｍ程度とすることで、胴部長さを４ｍ以下にすることが出来る。長尺物を運搬する場合、長さ４ｍを境にして運送費が急騰するが、本発明は３分割することで、搬送費用の急騰を防止できる効果も併せ持つ。

各パイプにはフランジを取付ける。フランジは、各パイプに溶接あるいは接着剤で接着して取付ける。
隣り合うパイプ同士を接合する時は、隣り合うフランジ間にＯリングを挟んで、フランジをボルトで締め付けて接合する。

先端部の底には、結露による水が溜まるので、内管の下端を結露水の中に浸けることによって、内管の底で空気のバブリングが起こる。このとき、水のOH⁻イオンが発生して空気と一緒に上昇して、室内に送り込まれる。いわゆるマイナスイオン効果を発生させることができる。同時に、水の中に有害物質、すなわち、ＶＯＣ，花粉、粉塵等を水に吸着させて空気中から除去する機能も有する。
結露水の中にトルマリン等を浸漬することによってマイナスイオンがより発生しやすくなる。

図４は、本発明地中熱交換器の防食方法についての説明図である。
パイプを埋めた地中、パイプの周囲に、パイプ外管の材質よりも電気化学的に卑な金属を埋め込んでおき、パイプ外管あるいは外管に嵌合した金属羽根に電気的に接触させる。
卑な金属が地中に溶解することによって、外管および金属羽根の腐食の進行が防止される。防食効果は卑な金属が存在する限り持続する。
又、電荷の違う多数の金属片をパイプ埋め戻し用の土中に埋めておくことによって、パイプの熱を土中に素早く放熱させ、熱伝達の効率をアップさせる効果もある。

実施例１（図３の構造）
外管：外径250mm、全長4.5mを３分割（先端部、胴部、開口部）
先端部長さ：０．５ｍ、 胴部長さ：３．５ｍ、開口部長さ：１ｍ
先端部材料：アルミ合金、胴部材料：アルミ合金、開口部材料：ポリエチレン
内管：外径150mmのポリエチレン製の管

地表面の温度は、外気の温度の影響を受けるために、1日の温度変化で、冬で4℃以上、夏で8℃以上の温度変化があるが、地表から深さ１mまで、外管を断熱材（ポリエチレン）にすることにより、外管上部の管壁温度が地中１mの温度に近くなり、夏場では入ロの空気温度が32.3℃のときに、全長アルミ合金の場合、出ロ温度26.8℃が、25.9℃まで下がり、１６.4%の回収熱量アップが図られた。その時のCOPは13.0であった。
又、冬場では入ロの空気温度が4.1℃の時に、全長アルミ合金の場合では出ロ温度が10.0℃であったのが、断熱材（ポリエチレン）にすることにより、11.2℃まで上昇し、熱量的には１６.3%の回収熱量アップが得られた。その際のCOPは14.2であった。

実施例２（図１の構造）
実施例１外管胴部に金属羽根12枚を嵌合して装着。
金属羽根嵌合による伝熱面積の上昇では、外径250mmのアルミのパイプに10mm幅で長さ3700mm、厚さ10ｍｍのアルミ板を12枚嵌合装着して夏の気温32℃の状態でテストをすると、出ロ温度は26℃に下がり、効率のアップは１9.3%、その際のCOPは13.6が得られた。
以上の様に、本発明は、従来から使用されている地中深い深度（十数メートル）に埋入した熱交換器に比較して、効率的にも、作業コストの上からも優れた発明であり、省エネ効果が極めて大で、温暖化の原因となるニ酸化炭素発生の抑制に大きく寄与するものである。

（１）建築物全般の冷暖房に利用できる。
（２）冷房排気熱風ガスの冷却
（３）水、その他の流体の冷却等、産業上発生する気体、液体の冷却に利用できる。

図１は、本発明の地中熱交換器外管と金属の羽根の断面図である。 図２は金属の羽根を外管に嵌めこんで装着した状態の斜視図である。 図３は、外管を分割形にした本発明地中熱交換器の構造を説明した図である。 図４は、本発明地中熱交換器の防食方法についての説明図である。

Claims (2)

1. 地中熱を利用して建物内に快適な空気を供給する冷暖房システムに使用される地中熱交換器であって、先端が封止され他端が開放された外管に、両端が開放された内管を遊嵌せしめ、前記外管の先端を下にして地下に埋入して、前記内管と前記外管との間の隙間に空気を流すことにより地熱と熱交換させる地中熱交換器において、
   前記外管の外表面には、その長さ方向に、底に広がる断面形状をもつ凹溝が複数形成されていると共に、前記凹溝の中に、金属製羽根の突起部であって先端が横に広がる突起部が嵌合されており、
   前記外管は、その長手方向に沿って、地中の最も深くに埋設される下端部と、その上方の胴体部と、その上方の地表近くに埋設される地表部との３つの部分に分割されており、
   前記胴体部は、アルミニウム又はアルミニウム合金製の両端が開放された筒状パイプから成り、約３，５００〜４，０００ｍｍの長さに形成されており、且つ、その外表面には、地熱の熱回収効率を高めるために、上下方向に延びる複数の金属製羽根が所定間隔で設けられており、
   前記地表部は、地表近くの温度変化の影響を受け難い断熱素材から成り、約１，０００ｍｍの長さに形成されており、且つその外表面には前記金属製羽根を備えていないものであり、
   前記下端部は、アルミニウム又はアルミニウム合金製で約５００ｍの長さに形成されており、且つその外表面には前記金属製羽根を備えていないものであり、
   前記下端部と前記胴体部とはそれぞれに設けられたフランジをボルト締めすることにより互いに着脱自在に接続されると共に、前記胴体部と前記地表部とはそれぞれに設けられたフランジをボルト締めすることにより互いに着脱自在に接続されている、ことを特徴とする、建物の冷暖房システムに使用される地中熱交換器。
2. 請求項１に記載の地中熱交換器の防食方法であって、
   地中の前記胴体部及び下端部の周辺に前記胴体部及び下端部よりも電気化学的に卑の金属を埋め込んでおき、この金属を前記胴体部及び下端部と電気的に導通させるようにした、ことを特徴とする、建物の冷暖房システムに使用される地中熱交換器の防食方法。
   

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