JP5307403B2 - 地中熱交換用ｕチューブの設置方法及び設置装置 - Google Patents

Description

本発明は地中熱交換システム、特にソニックドリルを用いた地中熱交換用Ｕチューブの設置方法及び設置装置に関する。

地中熱交換システムは、環境にやさしく、エネルギー効率の高い冷暖房システムとして用いられており、商業用・住居用の地中熱交換システムの需要が高まっている。そのために、地中熱交換システムにおいて広く使用されている地中熱交換用Ｕチューブを短時間で効率的に設置する方法の開発が望まれている。
米国特許第５，０２７，９０８号明細書 米国特許第５，４０９，０７０号明細書

地中熱交換用Ｕチューブを設置するため、掘削孔壁を保護しながら掘削する中空ドリルストリングの使用が好ましいが、掘削孔底部の中央部に未掘削部が残留するので、その部分を崩すために別途ストリング内に掘削装置を挿入しなければならず、手間と時間を要していた。
そこで、本発明は、中空ドリルストリングによる掘削のみで掘削孔底部中央に未掘削部分が残留しないようにし、地中熱交換用Ｕチューブの設置を効率的におこなえるようにするものである。

本発明は、地中熱交換用Ｕチューブの設置方法に関し、地盤中で中空ドリルストリングに回転と振動を与えることにより、掘削孔底部の中央部に未掘削部分が残留しないようにして掘削時間を短縮し、地中熱交換用Ｕチューブの削孔内への設置を効率的におこなうものである。
中空ドリルストリングは内部空間（インナースペース）を有し、回転と振動が与えられると共に内部に流体が供給され、所定深度まで削孔される。中空ドリルストリングの内部空間に地中熱交換用Ｕチューブを降下させて設置し、中空ドリルストリングを地盤中から抜き取り撤去する。本発明においては、必要に応じて削孔内にグラウト剤を充填する。

回転と振動を中空ドリルストリングに与える削孔装置を所望の位置に設置し、中空ドリルストリングに回転と振動を与え、同時に中空ドリルストリングの内部空間に流体を供給して所定深度まで削孔する。地中に設置される地中熱交換用Ｕチューブは、第２流体（Ｕチューブ内の流体）で満たされる。
地中熱交換用Ｕチューブは、直線部を有しており、この直線部が最初に削孔内に挿入される。地中熱交換用Ｕチューブには、錘が取り付けられる。
中空ドリルストリングは、内部空間にグラウチングしながら振動を加えて地中から引き抜かれる。
地中熱交換用Ｕチューブは、熱交換作用のため熱交換器に連結される。

本発明によれば、ケーシング掘削が迅速におこなえ、通常の削孔装置では削孔が困難な岩盤での削孔が可能である。先端開放の中空ドリルストリングであるので、削孔完了と同時に地中熱交換用Ｕチューブを削孔内に沈設することができるなどの利点を有する。本発明の更なる利点は、グラウチングを正確に制御すると共に監視することができることである。

また、本発明では、削孔がケーシングで保護されているため、コイル状の地中熱交換用Ｕチューブを削孔内を降下させる場合であっても、コイル部分が孔壁をこすって土砂を剥落させることがないという利点を有する。

図１は、本発明に基づいて地盤１４に孔１２を削孔する方法を示す。削孔装置２０は、移動車両５０に搭載されている。移動車両５０は削孔位置に移動することができ、削孔装置を所定の場所に設置することができる。ドリルパイプ２２は、一端２３に形成されたネジによって削孔装置２０と連結されており、他端２４にはドリルビットが同様にネジで連結されている。ドリルパイプ２２は、中空であり、両端部２３、２４は開口である。
この実施例において、ドリルビットはドリルパイプ２２に同軸に取り付けてあるリングビット２８であり、先端部が開放された中空ドリルストリング３０となり、中空ドリルストリング３０の内部には、空洞或いは内部空間３５が形成される。

削孔装置２０は、たとえばソニックドリルのような回転と振動をドリルパイプ２２に与える装置である。ソニックドリルは、公知であり、ここでは詳しく述べないが、たとえば、本出願人の米国特許第５，０２７，９０８、及び５，４０９，０７０に詳細が示されている。削孔装置２０は、地盤１４中の中空ドリルストリング３０に回転と振動を与える。削孔装置２０は、ホース４２を介してポンプ４０に連結されている。加圧流体が、流体加圧装置、或いは、ポンプ４０によって削孔作業中、矢印４４に示されるように、ホース４２を介して削孔装置２０を通り、中空ドリルストリング３０の内部空間３５へ送られる。この実施例においては、圧力流体は水であるが、ポリマーや粘土を添加した水（泥水）の場合もある。加圧流体の圧力は、１００〜５０００ｐｓｉ（７〜３５０ｋｇｆ／ｃｍ²）の範囲であり、より好ましい圧力範囲は、５００〜２０００ｐｓｉ（３５〜１４０ｋｇｆ／ｃｍ²）である。硬地盤においては、この圧力が削孔速度の向上に有効である。

中空ドリルストリング３０の内部空間３５に形成された流体柱３７は、中空ドリルストリング３０内において栓の働きをして、流体圧が内部空間３５に掘削土壌が侵入するのを阻止する。ホース４２の直径は、内部空間３５の直径に比して小さいので、削孔１２の中の地盤１４に圧力流体が衝突して生じる反射波がホース４２内に流体を押し戻すことがない。中空ドリルストリング３０に振動を与えると、それと同じ振動数で振動する流体柱３７の圧力が生じる。発生する反射波は、流体柱３７がウオーターハンマーと同様に作用して削孔力を増大させる。

内部空間３５に掘削土壌が侵入するのを阻止する流体柱３７が形成されるためには、十分な加圧流体を内部空間３５に送る必要がある。一方、図２に示すように中空ドリルストリング３０と削孔１２と地表１５までの環状間隙１３を通ってカッティングス（掘屑）を搬送するため、それに応じて水量を増量して加圧流体を送り込む。矢印４４は中空ドリルストリング３０の内部空間３５を通って流れる圧力水の方向を示している。加圧流体は、矢印４５、４６で示されているように、リングビット２８の周辺を通り、環状間隙１３を地表方向に上昇することによって矢印４７、４８に示すように、加圧流体とカッティングスを環状間隙１３中を通って地表へ搬送して排出する。

削孔深さが深くなるにつれ、中空ドリルストリング３０に追加のドリルパイプ２２が必要に応じて連結される。追加のドリルパイプ２２は中空で、両端開口である。追加パイプの一端はネジで削孔装置２０に連結され、追加パイプの他端はネジで中空ドリルストリング３０の頭部に連結される。連結された追加ドリルパイプには同様に回転と振動が加えられ、中空ドリルストリング３０の長さ及び削孔１２の深さを増大させる。ドリルパイプ２２は、手動或いは自動ドリルパイプ連結装置によって接続される。
削孔１２が所定深さに達すると、図３に示すように、中空ドリルストリング３０を削孔装置２０から切り離し、移動させて削孔から遠ざける。地中熱交換用Ｕチューブ７０を、削孔１２内に矢印４４に示すように、中空ドリルストリング３０の内部空間３５を通して降下させる。一方、他の実施例においては、削孔１２に地中熱交換用Ｕチューブ７０を挿入する前に中空ドリルストリング３０を地中から撤去する場合もある。

地中熱交換用Ｕチューブ７０は、削孔１２に降下させる前に第２の流体で満たしておく。この実施例において、地中熱交換用Ｕチューブ７０は高密度ポリエチレンチューブであり、水で満たされている。第２の流体（Ｕチューブ内の）は、地中熱交換用Ｕチューブ７０に重量を加えると共に、中空ドリルストリング３０の内部空間３５にある流体柱３７の圧力で破壊させられるのを防止する。削孔１２に地中熱交換用Ｕチューブ７０を降下させて設置するために錘７５が地中熱交換用Ｕチューブ７０に取り付けられる。地中熱交換用Ｕチューブ７０の先導部分７１は、グラウチングの間、もしくは中空ドリルストリング３０の引き抜き時にＵチューブを削孔底に保持するため、直線状である必要がある。この実施例において、錘７５は、鋼棒をワイヤ７６で地中熱交換用Ｕチューブ７０の先導部分７１に装着したものである。この鋼棒は、錘７５として、また、地中熱交換用Ｕチューブ７０の先導部分７１を直線に維持するという両機能を発揮している。地中熱交換用Ｕチューブ７０が孔底に設置されると、中空ドリルストリング３０は、削孔１２から引抜撤去され、削孔１２にはグラウチングが施される。なお、グラウチングは、中空ドリルストリング３０が地盤中に残っている状態で、或いは、撤去した後のどちらで実施してもよい。

本実施例において、図４に示すようにグラウチングは、トレミーラインホース８０を用いて実施される。トレミーラインホース８０の先端は鋼製パイプ８２が連結されており、この鋼製パイプにフレキシブルホース８１が連結されている。ポンプ８６は熱伝導性の高いグラウト１２０を貯蔵タンク８８からトレミーラインホース８０を通って削孔１２の底部へ送られる。グラウト１２０は、削孔１２の底部から注入され、地中熱交換用Ｕチューブ７０を取り囲むように上昇する。グラウトは底部から充填されるので、トレミーラインホースリール８７は、トレミーラインホース８０の先端が常にグラウト１２０の中に位置するように、グラウトの充填に伴ってトレミーラインホース８０を引き上げる。この工程は、削孔１２がグラウト１２０で満たされ、地中熱交換用Ｕチューブ７０の地表面付近の部分を覆うまで続ける。

グラウチングは加圧注入工法で行われることもある。加圧注入工法の場合、グラウト用ホースは中空ドリルストリング３０の頂上に取り付けるか、或いは、ドリルヘッドのスイベルに取り付ける。中空ドリルストリング３０が地盤から引き抜かれると同時に、グラウトが中空ドリルストリング３０の内部空間３５に送られる。中空ドリルストリング３０が地盤から抜けきったとき、グラウトは削孔の最上部まで充填されている。
中空ドリルストリングを引き抜くと地中熱交換用Ｕチューブの周囲の土質が崩壊しやすいシルト質や砂質土の地盤の場合には、グラウチングが必要でない場合もある。

トレミー工法或いは加圧注入によるグラウチングが完了すると、図５に示すように地中熱交換用Ｕチューブ７０は熱交換作用のため熱交換器１００に連結される。地中熱交換用Ｕチューブ７０は別の地中熱交換用Ｕチューブと地表面下で直列に連結されて熱交換装置を形成する。直列接続した地中熱交換用Ｕチューブは、共通の熱交換器に連結される。

以上の説明は、一例であって、特許請求の範囲を限定的に解釈するためのものでなく、本発明の範囲を逸脱しない範囲で変形、削除することができることはいうまでもないことである。

削孔中の削孔装置の一部断面を示す正面図。 削孔土を地上に排出する加圧流体の流れを示す説明図。 削孔に地中熱交換用Ｕチューブを吊り下ろす状態の正面図。 グラウチング中の状態を示す正面図。 熱交換器と地中熱交換用Ｕチューブの連結状態を示す説明図。

符号の説明

１２ 削孔
１３ 環状間隙
１４ 地盤
１５ 地表
２０ 削孔装置
２２ ドリルパイプ
２８ リングビット
３０ 中空ドリルストリング
４０ ポンプ
７０ 地中熱交換用Ｕチューブ
７１ 先導部
７５ 錘
７６ ワイヤ
８０ トレミーラインホース
８１ フレキシブルホース
８２ 鋼製パイプ
８７ リール
８６ ポンプ
８８ タンク
１００ 熱交換器
１２０ グラウト

Claims (6)

1. 中空ドリルストリングに回転と振動を与えて所定深さを削孔すると共に第１の流体を中空ドリルストリングの内部空間に充填して加圧された流体柱を形成し、
   その流体柱に振動を与えて第1の流体に圧力波を生じさせることにより、ウォーターハンマーと同様に作用させて中空ドリルストリングによる削孔力を増大し、
   中空ドリルストリングの内部空間に地中熱交換用Ｕチューブを挿入降下させ、
   地盤から中空ドリルストリングを引き抜き撤去する
   地中熱交換用Ｕチューブ設置方法。
2. 請求項１において、中空ドリルストリングの内部空間に地中熱交換用Ｕチューブを挿入降下させた後、中空ドリルストリングの内部空間にグラウトを充填し、中空ドリルストリングに振動を与えて引き抜く地中熱交換用Ｕチューブ設置方法。
3. 請求項１〜２のいずれかにおいて、地中熱交換用Ｕチューブに予め第２の流体を充填して降下させる地中熱交換用Ｕチューブ設置方法。
4. 請求項ｌ〜３のいずれかにおいて、地中熱交換用Ｕチューブに錘を装着して降下させる地中熱交換用Ｕチューブ設置方法。
5. 請求項１〜４のいずれかにおいて、中空ドリルストリングの先端にドリルビットが設けてあり、第１の流体を中空ドリルストリングの内部空間に供給することによって掘削屑を削孔から排出する地中熱交換用Ｕチューブ設置方法。
6. 請求項１〜５のいずれかにおいて、第１の流体が加圧流体であって、流体柱に加圧するようにした地中熱交換用Ｕチューブ設置方法。