JP5471074B2 - 地中熱交換器 - Google Patents

Description

本発明は、地盤との間で熱交換を行う地中熱交換器に関する。

通年の温度変動の小さい地中熱を利用して建物の冷暖房等を行う地中熱利用システムが注目されている。この地中熱利用システムでは、地盤との間で採・放熱を行うべく地中に地中熱交換器が設置される。そして、地中熱交換器は、例えば、夏場には地盤に放熱し、冬場には地盤から採熱する。

その一例として、特許文献１には二重管構造の地中熱交換器が示されている。すなわち、図１Ａの縦断面図に示すように、この地中熱交換器１２１は、地盤Ｇに鉛直に埋設される外筒としての鋼管１３１と、鋼管１３１内に配置された内筒としてのポリエチレン管１４１（以下、ＰＥ管と言う）と、を有している。そして、鋼管１３１の上端部に設けられた流入口１３１ａから鋼管１３１内に流入された熱媒体２６を、ＰＥ管１４１の下端部の流出口１４１ａから取り出すことにより、地盤Ｇとの間で熱交換後の熱媒体２６をヒートポンプ等へ送出するようになっている。

ところで、この特許文献１には、鋼管１３１の下側の管端開口１３１ｂの封止構造として、図１Ｂに示すような構造が示されている。すなわち、鋼管１３１の内周面から内方に突出させて環状部１３２を設けるとともに、ＰＥ管１４１の下端面に突き合わし固定されたフランジ板１４２を、前記環状部１３２の全周に亘って当接させることにより封止することが示されている。また、この密封性を高めるべく、前記環状部１３２と前記フランジ板１４１との間にニクロム線１４５を配線し、その通電によりフランジ板１４１を溶融させて環状部１３２に溶着することも示されている。

特開２００２−１３８２８号公報

しかしながら、このような封止構造は、上述のように複雑であり、また、鋼管１３１毎に前記環状部１３２を設けねばならず、作業工数が増えて作業コストが高くなる。

また、外筒に鋼管１３１を用いているので、材料コストが高くなり、また、鋼管重量が重いことから、地盤Ｇの竪孔１２３へ建て込み難いと共に、重量物用の揚重機を使用せざるをえず、工事規模が大きくなってしまう。更には、施工現場へ搬送する際に鋼管１３１をコイル状に巻き取ることは不可能であることからコンパクト化が難しく、結果、搬送性に劣り、それに起因する搬送コスト増も施工費高騰の一因となっていた。

本発明は、上記のような従来の問題に鑑みなされたものであって、地中熱交換器の設置工事の施工性を向上し、設置コストを低減可能な地中熱交換器を提供することを目的とする。

かかる目的を達成するために請求項１に示す発明は、
地盤との間で熱交換を行う地中熱交換器であって、
地盤の掘削孔内に配される可撓性の樹脂製コルゲート管と、
前記コルゲート管内に熱媒体を吐出する吐出口と、
前記地盤と熱交換した前記熱媒体を前記コルゲート管から排出する排出口と、
前記掘削孔と前記コルゲート管との間に充填される充填材と、を有し、
前記コルゲート管の管壁部の波形形状は、前記コルゲート管の管軸を中心軸とする螺旋形状に形成されており、
前記コルゲート管の一方の管端部は、該管端部における前記波形形状の部分をねじ部として螺合するキャップ部材によって封止されており、
前記キャップ部材で封止される前記管端部には、セメント系素材又は樹脂系素材のグラウト材が、前記キャップ部材と前記管端部とを跨ぐように充填されていることを特徴とする。

上記請求項１に示す発明によれば、キャップ部材は、前記管端部を封止する際に螺合すべきねじ部として、コルゲート管（corrugated pipe：波形管）の波形形状の部分を利用する。よって、キャップ部材を管端部に固定するための固定構造を、別途管端部に設けずに済み、コルゲート管の構成の簡素化を図れる。また、キャップ部材を管端部にねじ込めば管端部を封止できるので、封止作業も容易となる。

また、コルゲート管は樹脂製であり軽量なので、当該コルゲート管を掘削孔へ建て込む際に重量物用の揚重機を用いずに済む等、建て込み易いものとなる。
更には、コルゲート管は可撓性を有している。よって、その全長が数十ｍ〜数百ｍの場合であっても、コルゲート管をリールに巻き取る等してコンパクトなサイズに収めることができて、施工現場へ搬送し易くなる。
また、コルゲート管であるので、その管壁部の形状は波形形状となっており、これにより、管壁部の内周面及び外周面の表面積が拡大されている。よって、その拡大された表面積により、地盤とコルゲート管内の熱媒体との間の熱交換効率を格段に向上することができる。

また、キャップ部材と管端部とが螺合する螺合範囲に噛み合い隙間がある場合でも、当該噛み合い隙間を前記グラウト材によって塞ぐことができて、その結果、コルゲート管の管端部からの熱媒体の外部漏出を確実に防ぐことができる。

請求項２に示す発明は、請求項１に記載の地中熱交換器であって、
前記掘削孔として前記地盤に鉛直方向に掘削された竪孔に、前記コルゲート管は、その管軸を鉛直方向に沿わせて挿入されており、
前記コルゲート管の鉛直方向の下側の管端部が前記キャップ部材により封止されているとともに、前記管端部に前記グラウト材が充填されていることを特徴とする。

上記請求項２に示す発明によれば、コルゲート管を竪孔に挿入する際に挿入し易くなる。詳しくは次の通りである。コルゲート管の竪孔への建て込み深さは、一般に数十ｍ〜数百ｍに達する。また、コルゲート管は樹脂製であり、その可撓性に起因して曲がる等して建て込み姿勢が不安定になり易い。そのため、竪孔にコルゲート管を挿入する際に、コルゲート管の下側の管端部が、竪孔の孔壁に引っ掛かって詰まる等して、竪孔の底部まで速やかに挿入できない虞がある。

この点につき、上述の構成によれば、コルゲート管の下側の管端部に充填されたグラウト材が錘となり、つまり当該錘がコルゲート管を下方に引っ張って真っ直ぐに延ばした状態する。よって、コルゲート管の下側の管端部が竪孔の孔壁に引っ掛かる等のトラブルを有効に防止できて、コルゲート管を竪孔に建て込み易くなる。

請求項３に示す発明は、請求項１又は２に記載の地中熱交換器であって、
前記キャップ部材の内周面には、前記管端部の外周面における前記波形形状の部分を雄ねじとして螺合する雌ねじが形成されており、
前記キャップ部材は、前記管端部を外から覆いつつ前記管端部を封止することを特徴とする。
上記請求項３に示す発明によれば、キャップ部材は、管端部の外周面を覆いつつ同外周面に螺合する。よって、キャップ部材は、管端部を確実に封止することができる。

請求項４に示す発明は、請求項１乃至３の何れかに記載の地中熱交換器であって、
前記掘削孔と前記コルゲート管との間に充填される前記充填材は、炭化ケイ素、アルミナ、及び高炉スラグのうちの少なくとも何れか１種からなる長粒物を所定の容積含有率で含んでいることを特徴とする。

上記請求項４に示す発明によれば、充填材が含む長粒物は、炭化ケイ素、アルミナ、及び高炉スラグのうちの少なくとも何れかを素材とするが、何れの素材も高い熱伝導性を有している。また、その形状は長粒形であるので、充填材内において、互い隣り合う長粒物同士が接触する確率は高くなり、これにより、前記充填材内に熱の通り道が形成され易くなる。つまり、長粒物の含有率をあまり高めずとも、前記充填材内に高熱伝導率の伝熱経路を確実に形成可能となる。よって、充填材として一般に使用される砂等よりも前記長粒物が高価な場合であっても、地中熱交換器の製造コストを低く抑えつつ、充填材の熱伝導性を確実に高めることができる。

請求項５に示す発明は、請求項４に記載の地中熱交換器であって、
前記長粒物の長手方向の寸法が、１０〜５０ｍｍであり、
前記長手方向と直交する方向の寸法が１〜３ｍｍであることを特徴とする。

上記請求項５に示す発明によれば、長粒物の長手方向の寸法が１０ｍｍ以上であるので、互いに隣り合う長粒物同士が接触する確率は高くなり、これにより、充填材内に高熱伝導率の伝熱経路を確実に形成可能となる。また、５０ｍｍ以下であるので、長粒物の製造はさほど困難ではなく、製造コストの高騰を抑制できる。更には、５０ｍｍよりも長くすると前記掘削孔への充填時に折れ易くなり、製造コストの割には充填後の長粒物の長尺化を図れないという費用対効果悪化の問題が起きる虞があるが、５０ｍｍ以下にすれば、この問題も有効に回避することができる。

また、長粒物の長手方向と直交する方向の寸法たる１〜３ｍｍは、一般に充填材の基材として用いられる砂等の粒状物の粒径とほぼ同サイズである。よって、当該長粒物は、充填材の基材内に偏在すること無く均一に混在し易くなり、結果、充填材の全域に亘り高い熱伝導性を確保することができる。

ちなみに、上述の粒状物の寸法範囲によれば、長粒物の最小サイズは、１０ｍｍ×１ｍｍとなる。よって、その粒径がミクロンオーダーの微粉の場合に起こりがちな、地下水に混ざって充填材から長粒物が流出するという不具合も確実に防止できて、充填材は長期に亘り高い熱伝導性を維持可能となる。

本発明によれば、地中熱交換器の設置工事の施工性を向上し、設置コストを低減可能な地中熱交換器を提供することができる。

図１Ａは、従来の二重管構造の地中熱交換器１２１の縦断面図であり、図１Ｂは、二重管構造の外筒たる鋼管１３１の管端開口１３１ｂの封止構造の説明図である。 本実施形態に係る地中熱交換器２１を用いた地中熱利用システム１１の説明図である。 本実施形態に係る地中熱交換器２１の縦断面図であり、その一部を側面視で示している。 図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、冬場及び夏場での使用例の説明図であり、何れも、地中熱交換器２１を縦断面視で示している。 地中熱交換器２１の外筒に用いるコルゲート管３１の斜視図である。 本実施形態に係る望ましい例の説明図である。 本実施形態に係るその他の望ましい例の説明図である。 図７Ａは、炭化ケイ素の長粒物２７ａを含有した充填材２７の説明図であり、図７Ｂは、その比較例たる球形状の炭化ケイ素を含有した充填材２７の説明図であり、図７Ｃは、図７Ａの長粒物２７ａが充填材２７内に形成する高熱伝導率の伝熱経路（ヒートブリッジ）の説明図である。 図８Ａ乃至図８Ｆは、本実施形態に係る地中熱交換器２１の設置工法の説明図である。 コルゲート管３１の外周面３１ｃに生じ得る充填材２７の未充填部分の説明図である。

＝＝＝本実施形態＝＝＝
＜＜＜地中熱交換器２１について＞＞＞
図２は、本実施形態に係る地中熱交換器２１を用いた地中熱利用システム１１の説明図である。図３は、一部を側面視で示す地中熱交換器２１の縦断面図である。また、図４Ａ及び図４Ｂは、それぞれ、冬場及び夏場での使用例を示す地中熱交換器２１の縦断面図である。図５は、地中熱交換器２１の外筒に用いるコルゲート管３１の斜視図である。なお、図３乃至図４Ｂについては、図の錯綜を防ぐべく、断面部位に付与すべき断面線を省略している。

図２に示すように、この地中熱利用システム１１は、地盤Ｇとの間で熱交換を行う地中熱交換器２１と、地中熱交換器２１の熱媒体２６からの熱を利用して建物１の暖房のための温水や冷房のための冷水を生成するヒートポンプ１５と、を有する。なお、ヒートポンプ１５の構成は周知なので、その説明は省略する。

図３に示すように、この地中熱交換器２１は、ボアホール方式の二重管型である。すなわち、地盤Ｇに鉛直に形成された掘削孔としての竪孔２３と、竪孔２３に鉛直方向に沿って挿入された外筒としてのコルゲート管３１と、コルゲート管３１内に配置された第１内筒としての第１ホース部材４１と、同コルゲート管３１内に配置された第２内筒としての第２ホース部材４５と、竪孔２３とコルゲート管３１との間の空間ＳＰ２３に充填される充填材２７と、を有している。

そして、例えば、冬場には、図４Ａに示すように、ヒートポンプ１５から第１ホース部材４１を経由して、水又は不凍液等の熱媒体２６が送られて、当該熱媒体２６は、コルゲート管３１の下端部３１ａに配された第１ホース部材４１の管端開口４１ｅ（「吐出口」に相当）から、コルゲート管３１内に吐出される。すると、当該熱媒体２６は、コルゲート管３１内において地盤Ｇの地中熱により暖められて自然対流に基づきコルゲート管３１内を上方へ移動し、しかる後に、コルゲート管３１の上端部３１ｂに設けられた第２ホース部材４５の管端開口４５ｅ（「排出口」に相当）から該第２ホース部材４５内へ流入しヒートポンプ１５へ向けて送出される。そして、ヒートポンプ１５にて温水生成に供される。

他方、夏場の熱媒体２６の流れ方向は、上述の逆となる。すなわち、図４Ｂに示すように、ヒートポンプ１５から第２ホース部材４５を経由して熱媒体２６が送られて、当該熱媒体２６は、第２ホース部材４５の前記管端開口４５ｅ（「吐出口」に相当）からコルゲート管３１内に吐出される。そして、当該熱媒体２６は、コルゲート管３１内において地盤Ｇの地中熱により冷やされて自然対流に基づきコルゲート管３１内を下方へ移動し、しかる後に、コルゲート管３１の下端部３１ａに設けられた第１ホース部材４１の前記管端開口４１ｅ（「排出口」に相当）から第１ホース部材４１内へ流入しヒートポンプ１５へ向けて送出される。そして、ヒートポンプ１５にて冷水生成に供される。

以下、地中熱交換器２１に係る各構成要素２３，３１，４１，４５，２７について詳細に説明する。

（１）竪孔２３
図３に示すように、竪孔２３は、オーガ等の掘削機により地面にほぼ垂直に掘削された孔であり、その直径は１００〜２００ｍｍ、深さは３０〜１５０ｍである。

（２）コルゲート管３１
図５及び図３に示すように、コルゲート管３１は、その管壁部が波形形状の管部材である。この波形形状は、コルゲート管３１の管軸Ｃ３１を中心軸とする螺旋形であり、また、管壁部の厚み（壁厚）は全長に亘りほぼ一定厚みである。よって、コルゲート管３１の外周面３１ｃ及び内周面３１ｄのどちらの面も、略同形の螺旋波形形状になっている。より詳しくは、図３に示すように、外周面３１ｃの螺旋波形形状に係る山部と内周面３１ｄの螺旋波形形状に係る谷部、若しくは外周面３１ｃの螺旋波形形状に係る谷部と内周面３１ｄの螺旋波形形状に係る山部とは、互いに壁厚方向に隣り合わせで位置している。

そして、このような螺旋波形形状により、管壁部の外周面３１ｃ及び内周面３１ｄの表面積は拡大されているので、地盤Ｇとコルゲート管３１内の熱媒体２６との間の熱交換効率は格段に高められている。

また、かかる螺旋波形形状を規定する各種パラメータ（例えば、山部と山部の管軸Ｃ３１方向のピッチＰ（若しくは谷部と谷部の管軸Ｃ３１方向のピッチＰ）、山部の外径Ｄ１、谷部の外径Ｄ２等）は、それぞれ、コルゲート管３１の全長に亘り同仕様になっている。よって、コルゲート管３１の管壁部のどの部位も、必要に応じて、雄ねじ又は雌ねじとして機能することができる。この雄ねじ又は雌ねじとしての使用例については、後述する。

コルゲート管３１の下端部３１ａ（「一方の管端部」又は「下側の管端部」に相当）には、この下端部３１ａの管端開口３１ｅｄを封止するキャップ部材３３が設けられている。これにより、コルゲート管３１内の熱媒体２６の前記管端開口３１ｅｄから地盤Ｇへの漏出が防止される。

詳しくは、キャップ部材３３は、円筒部３３ａと、この円筒部３３ａから同軸且つ一体に筒軸方向に延出した略円錐部３３ｂと、を有する。そして、円筒部３３ａはその内周面３３ｃに、コルゲート管３１の螺旋波形形状と対応した螺旋波形形状の部分を有し、この螺旋波形形状の部分を雌ねじとし、コルゲート管３１の下端部３１ａの螺旋波形形状の部分を雄ねじ（「ねじ部」に相当）として、キャップ部材３３はコルゲート管３１の下端部３１ａに螺合し、これにより、コルゲート管３１の下端部３１ａの管端開口３１ｅｄを封止する。つまり、コルゲート管３１の螺旋波形形状を利用してキャップ部材３３をコルゲート管３１にねじ込み固定する。よって、キャップ部材３３を固定するための特別な固定構造を、コルゲート管３１の下端部３１ａに追設せずに済み、コルゲート管３１の構成を簡素化できる。また、キャップ部材３３をコルゲート管３１の下端部３１ａにねじ込めば当該下端部３１ａを封止できるので、封止作業も容易になる。

一方、コルゲート管３１の上端部３１ｂにも、この上端部３１ｂの管端開口３１ｅｕを封止すべくキャップ部材３５が設けられている。このキャップ部材３５は、例えば中実の円柱体であり、その外周面３５ｃには雄ねじが形成されている。そして、コルゲート管３１上端部３１ｂの内周面３１ｄの螺旋波形形状の部分を雌ねじとして、キャップ部材３５の前記雄ねじが螺合し、これにより、前記上端部３１ｂの管端開口３１ｅｕを封止するようになっている。なお、このキャップ部材３５には、上述の第１ホース部材４１及び第２ホース部材４５をコルゲート管３１内に導くための貫通孔３５ｈ，３５ｈが形成されており、これら貫通孔３５ｈ，３５ｈには、それぞれ、第１ホース部材４１及び第２ホース部材４５が通される。

このようなコルゲート管３１は、高密度ポリエチレン等の樹脂製であり、鋼管と比較して格段に軽量である。よって、当該コルゲート管３１を地盤Ｇの竪孔２３へ建て込む際に重量物用の揚重機を用いずに済む等、建て込み易いものとなる。
また、可撓性を有しているので、その全長が数十ｍ〜数百ｍの場合であっても、当該コルゲート管３１をリールに巻き取る等してコンパクトなサイズに収めることができて、これにより、施工現場へ搬送し易くなる。

ここで望ましくは、図６Ａに示すように、キャップ部材３３で封止されるコルゲート管３１の下端部３１ａには、セメント系素材又は樹脂系素材のグラウト材３７が、キャップ部材３３と前記下端部３１ａとを跨ぐように充填されていると良い。このようにしていれば、キャップ部材３３の雌ねじとコルゲート管３１の下端部３１ａの雄ねじとの間に若干の噛み合い隙間Ｓ１が存在する場合でも、当該噛み合い隙間Ｓ１にグラウト材３７が入り込んで、当該隙間Ｓ１をグラウト材３７により確実に塞ぐことができて、その結果、コルゲート管３１の下端部３１ａからの熱媒体２６の外部漏出を確実に防止可能となる。

また、このようなグラウト材３７の充填部分をコルゲート管３１の下端部３１ａに設ければ、地中熱交換器２１の設置工事においてコルゲート管３１を竪孔２３に挿入する際に、当該グラウト材３７が錘となって挿入し易くなる。詳しくは次の通りである。

コルゲート管３１の竪孔２３への建て込み深さは、一般に数十ｍ〜数百ｍに達する。他方、コルゲート管３１は樹脂製であり、その可撓性に起因して曲がったり小刻みに揺れる等、建て込み姿勢が不安定になり易い。その結果、竪孔２３にコルゲート管３１を挿入する際に、コルゲート管３１の下端部３１ａが、竪孔２３の孔壁２３ａに引っ掛かって詰まる等して、竪孔２３の底部近傍まで速やかに到達しない虞がある。

この点につき、上述の構成によれば、コルゲート管３１の下端部３１ａに充填されたグラウト材３７が錘となり、これにより、コルゲート管３１を下方に引っ張って真っ直ぐに延ばした状態する。よって、コルゲート管３１の下端部３１ａが竪孔２３の孔壁２３ａに引っ掛かり難くなって、竪孔２３に建て込み易くなる。

また、地中熱交換器２１の設置工法の種類によっては、地盤Ｇの竪孔２３にコルゲート管３１を挿入する際、又は挿入した後に、竪孔２３内に液状物が充満しているケースもある。そして、その場合には、コルゲート管３１は、液状物からの浮力によって浮き上がってしまい、竪孔２３にうまく挿入できない虞があるが、そのような場合にも、上述のグラウト材３７が、コルゲート管３１の浮力に抗する錘として有効に機能して、これにより、コルゲート管３１の下端部３１ａは竪孔２３の液状物中へ速やか且つ真っ直ぐに沈降される。ちなみに、このような浮力に確実に対抗すべく、コルゲート管３１内に水等の液体を入れて当該液体を錘としながらコルゲート管３１を竪孔２３に挿入しても良い。

このようなグラウト材３７としては、充填時に流動性を有し、充填後には固化するようなセメント系素材又は樹脂系素材が使用される。セメント系素材の具体例としては、セメントやモルタル等を例示でき、樹脂系素材の具体例としては、エポキシ樹脂やアクリル樹脂、シリコン樹脂等を例示できる。ちなみに、錘として用いる場合には、固化後の比重の高い材料が好ましく、例えば、上述のように竪孔２３に液状物が充満している場合には、この液状物よりも比重の高いものをグラウト材３７として用いると良い。

グラウト材３７の充填処理は、コルゲート管３１を竪孔２３に建て込む前の地上において、次のようにして行われる。先ず、キャップ部材３３をコルゲート管３１に螺合して管端開口３１ｅｄを封止した状態において、キャップ部材３３の底部３３ｆが下に位置するようにコルゲート管３１を配置する。そして、キャップ部材３３とコルゲート管３１との螺合部分又は螺合部分よりも上方の管壁部の部位に、コルゲート管３１内と外部空間とを連通する二つの貫通孔ｈ１，ｈ２を形成する。これらのうちの一方の貫通孔ｈ１は、コルゲート管３１内にグラウト材３７を注入する注入孔として使用され、もう一方の貫通孔ｈ２は、グラウト材３７の充填高さの目視確認用の孔として使用される。つまり、後者の孔ｈ２は、グラウト材３７の充填目標高さに相当する位置に形成される。そして、孔ｈ１からグラウト材３７を注入し、孔ｈ２からグラウト材３７が漏出したら、グラウト材３７の注入を止め、グラウト材３７が固化するまで、これら孔ｈ１，ｈ２を外側から板で押さえる等して塞ぎ、固化後に板を取り外す。

ちなみに、コルゲート管３１の下端部３１ａを密閉するグラウト材３７の充填構造としては、上述の図６Ａ以外に、例えば図６Ｂに示すような構造も例示できる。すなわち、この図６Ｂの例では、コルゲート管３１の下端部３１ａにのみグラウト材３７としての樹脂等を充填して下端部３１ａの管端開口３１ｅｄを閉塞し、キャップ部材３３の方にはグラウト材３７を充填していないが、このようにしても良い。

（３）第１ホース部材４１及び第２ホース部材４５
図３に示すように、第１ホース部材４１及び第２ホース部材４５は、例えばポリエチレン等の樹脂製の管部材である。そして、第１ホース部材４１の下端部の管端開口４１ｅは、コルゲート管３１の下端部３１ａに配置されている一方、第２ホース部材４５の下端部の管端開口４５ｅは、コルゲート管３１の上端部３１ｂに配置されている。これにより、熱媒体２６は、冬場には前述した図４Ａのルートで、また夏場には前述した図４Ｂのルートで、コルゲート管３１内を自然対流等に基づき上昇又は下降しながら地盤Ｇと熱交換する。

（４）充填材２７
充填材２７は、例えば、川砂や山砂、珪砂等を基材２７ｂとし、コルゲート管３１と竪孔２３との間の空間ＳＰ２３に密実に充填される。これにより、充填材２７を介して、コルゲート管３１内の熱媒体２６と地盤Ｇとの間で熱交換が行われる。

この熱交換効率を高めるべく、図７Ａに示すように、充填材２７には、１〜２０％の容積含有率（＝長粒物２７ａの総容積／充填材２７の総容積）で、炭化ケイ素、アルミナ、及び高炉スラグのうちの少なくとも何れか１種からなる長粒物２７ａが混入され、この例では、炭化ケイ素２７ａが混入されている。そして、当該炭化ケイ素２７ａの熱伝導率は、１６８（Ｗ／ｍＫ）という具合に高い。よって、当該炭化ケイ素２７ａの混入により充填材２７の熱伝導率は飛躍的に高められている。

また、炭化ケイ素２７ａの形状は、長粒形状（針状形状、棒状）である。よって、図７Ａに示すように充填材２７内において互い隣り合う炭化ケイ素２７ａ，２７ａ同士が接触する確率は、図７Ｂに示す球形状の場合と比べて格段に高くなり、これにより、充填材２７内には、図７Ｃに示すような熱の通り道（ヒートブリッジ）が形成され易くなる。つまり、炭化ケイ素２７ａの含有率をあまり高めずとも、充填材２７内に高熱伝導率の伝熱経路を確実に形成可能となる。よって、砂よりも高価な炭化ケイ素２７ａの含有率を低くすることができて、その結果、地中熱交換器２１の製造コストを低く抑えながらも、充填材２７の熱伝導性を確実に高めることができる。

ここで望ましくは、炭化ケイ素の長粒物２７ａの長手方向の寸法を１０〜５０ｍｍにし、また、長手方向と直交する方向の寸法を１〜３ｍｍにすると良い。そして、長手方向の寸法を１０ｍｍ以上にすれば、互いに隣り合う長粒物２７ａ，２７ａ同士の接触確率を高めることができる。また、同寸法を５０ｍｍ以下にすれば、長粒物２７ａの製造はさほど困難にならず、製造コストの抑制を図れ、更には、竪孔２３への充填時の長粒物２７ａの折損等も有効に防止できて、つまり、製造コストに見合った寸法長さの長粒物２７ａを、竪孔２３内に確実に配することができる。

また、長粒物２７ａの長手方向と直交する方向の寸法たる１〜３ｍｍは、一般に充填材２７の基材２７ｂとして用いられる砂等の粒状物の粒径とほぼ同サイズである。よって、当該長粒物２７ａは、充填材２７の基材２７ｂ内に偏在すること無く均一に混入され易く、その結果、充填材２７の全域に亘り高い熱伝導性を確保することができる。

ちなみに、上述の寸法範囲によれば、長粒物２７ａの最小サイズは、１０ｍｍ×１ｍｍとなる。よって、その粒径がミクロンオーダーの微粉の場合に起こりがちな、地下水に混ざって充填材２７から長粒物２７ａが流出するという不具合も確実に防止できて、充填材２７は長期に亘り高い熱伝導性を維持可能となる。

＜＜＜地中熱交換器２１の設置工法について＞＞＞
図８Ａ乃至図８Ｆは、地中熱交換器２１の設置工法の説明図である。
先ず、図８Ａに示すように、対象地盤Ｇに、孔径１００〜２００ｍｍ、深さ３０〜１５０ｍの竪孔２３をボーリングマシン等の掘削機により掘削する。

また、これと同時並行又は前後して、コルゲート管３１、及び第１ホース部材４１をそれぞれリール３１Ｒ，４１Ｒに巻き取った状態で現場搬入する。なお、第２ホース部材４５は短尺なので、巻き取り状態で搬入しなくて良い。そして、リール３１Ｒからコルゲート管３１を少しだけ繰り出し、そのコルゲート管３１の先端部の外周面における螺旋波形形状を雄ねじとして、キャップ部材３３を螺合して管端開口３１ｅｄを封止する。そうしたら、コルゲート管３１の先端部にグラウト材３７を注入して螺合部分の前記噛み合い隙間Ｓ１を埋める。

次に、竪孔２３にコルゲート管３１を建て込む。すなわち、図８Ａに示すように、リール３１Ｒの繰り出し端を竪孔２３の上方に配置し、そして、図８Ｂに示すように、コルゲート管３１の前記先端部が下端部となるようにコルゲート管３１をリール３１Ｒから繰り出すことにより、順次、コルゲート管３１を竪孔２３内に建て込んでいく。なお、この建て込み中にあっては、コルゲート管３１の下端部のグラウト材３７が錘として機能し、コルゲート管３１は全体として真っ直ぐな安定した建て込み姿勢を維持する。そして、コルゲート管３１の下端部が竪孔２３の底部近傍に到達したら、コルゲート管３１の繰り出しを停止する。そして、コルゲート管３１をリール３１Ｒから分離すべくコルゲート管３１を切断し、これによりコルゲート管３１の上端部３１ｂが形成される（図８Ｃを参照）。

そうしたら、図８Ｃに示すように竪孔２３とコルゲート管３１との間の空間ＳＰ２３に漏斗等を用いて充填材２７を注入する。

但し、図９の拡大縦断面図に示すように、コルゲート管３１の外周面３１ｃは螺旋波形形状になっている。そのため、単に充填材２７を上方から落下充填させるだけだと、螺旋波形形状の谷部及びその近傍空間が山部の影となって、そこには充填材２７が回り難くなり、未充填部分、つまり空隙が生じてしまう。そして、このような空隙は、地盤Ｇからコルゲート管３１内の熱媒体２６への熱伝導を阻害する。

そこで、このような空隙を潰すべく、図８Ｄに示すように、充填材２７の充填後にコルゲート管３１内にバイブレーター８１を入れてコルゲート管３１を振動させることにより、前記空隙の周囲の充填材２７を順次落下させて空隙を埋めるようにしている。そして、空隙が埋まったら、その分だけ充填材２７の充填高さが低くなるので、その分量の充填材２７を竪孔２３内に追加投入する。

但し、コルゲート管３１の全長は、数十ｍ〜数百ｍであるところ、バイブレーター８１の振動子８１ａの全長は精々数十ｃｍである。そのため、例えば、バイブレーター８１の振動子８１ａをコルゲート管３１の上端部３１ｂの内周面に当接させたところで、その振動を、数十ｍ〜数百ｍもあるコルゲート管３１の全長に亘って伝えることはできない。

そこで、図８Ｄに示すように、コルゲート管３１内に前記振動子８１ａをワイヤー等の吊り具８１ｂで吊下し、吊り具８１ｂを操作して、振動子８１ａをコルゲート管３１の全長に亘って上下方向に移動するようにしている。そして、これにより、コルゲート管３１の内周面３１ｄにおいて振動子８１ａの当接により振動する部位を、コルゲート管３１の全長に亘って順次移動させて、ほぼ全ての空隙を潰すようにしている。

なお、この充填作業を効率良く短時間で終える観点からは、望ましくは、最初に振動子８１ａを当接させる位置をコルゲート管３１の下端部とし、以降、この当接位置を上方へずらしていくと良い。これは、空隙が埋まる際には、その空隙分の分量の充填材２７が上方から落下しており、つまり、空隙が埋まる代わりに、その上方に新たな空隙が生じるからである。よって、下方の空隙から先に潰した方が、作業の無駄が無いのである。

そして、このようにして竪孔２３とコルゲート管３１との間の空間ＳＰ２３に密実に充填材２７が充填されたら、図８Ｅに示すようにコルゲート管３１の上端部３１ｂの上方に第１ホース部材４１のリール４１Ｒを配置して、このリール４１Ｒから第１ホース部材４１を繰り出してコルゲート管３１内に第１ホース部材４１を挿入する。そして、挿入が完了したら、図８Ｆに示すように、コルゲート管３１の上端部３１ｂにキャップ部材３５をねじ込んで上端部３１ｂの管端開口３１ｅｕを封止する。なお、この時、キャップ部材３５の二つの貫通孔３５ｈ，３５ｈには、それぞれ、第１ホース部材４１及び第２ホース部材４５が通される。

＝＝＝その他の実施の形態＝＝＝
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で以下に示すような変形が可能である。

上述の実施形態では、コルゲート管３１内の熱媒体２６の流れ方向を鉛直方向にした垂直方式の地中熱交換器２１を例示したが、何等これに限るものではなく、水平方式でも良い。すなわち、水平方向に広い掘削孔内に、コルゲート管３１の管軸Ｃ３１を水平にしながら収容し、これにより、コルゲート管３１内の熱媒体２６の流れ方向を水平方向にしても良い。なお、掘削孔に収容後は、充填材２７により埋め戻されるのは言うまでもない。

上述の実施形態では、図３に示すように、コルゲート管３１の下端部３１ａに螺合するキャップ部材３３として、雌ねじを有した構成を例示し、つまり、キャップ部材３３が前記下端部３１ａを外から覆いつつ当該下端部３１ａを封止していたが、何等これに限るものではない。例えば、雄ねじと雌ねじの関係を逆にしても良い。すなわち、コルゲート管３１の下端部３１ａの内周面３１ｄにおける螺旋波形形状の部分を雌ねじとして、この雌ねじに螺合する雄ねじを、キャップ部材３３における円筒部３３ａの外周面に設けても良い。

１ 建物、１１ 地中熱交換システム、１５ ヒートポンプ、
２１ 地中熱交換器、２３ 竪孔（掘削孔）、２３ａ 孔壁、
２６ 熱媒体、２７ 充填材、２７ａ 長粒物、２７ｂ 基材、
３１ コルゲート管、３１ａ 下端部（管端部）、３１ｂ 上端部、
３１ｃ 外周面、３１ｄ 内周面、３１ｅｄ 管端開口、３１ｅｕ 管端開口、
３１Ｒ リール、３３ キャップ部材、３３ａ 円筒部、３３ｂ 略円錐部、
３３ｃ 内周面、３３ｆ 底部、３５ キャップ部材、
３５ｃ 外周面、３５ｈ 貫通孔、３７ グラウト材、
４１ 第１ホース部材、４１ｅ 管端開口、４１Ｒ リール、
４５ 第２ホース部材、４５ｅ 管端開口、
８１ バイブレーター、８１ａ 振動子、８１ｂ 吊り具、
Ｇ 地盤、Ｓ１ 隙間、ｈ１ 貫通孔、ｈ２ 貫通孔、ＳＰ２３ 空間

Claims (5)

1. 地盤との間で熱交換を行う地中熱交換器であって、
   地盤の掘削孔内に配される可撓性の樹脂製コルゲート管と、
   前記コルゲート管内に熱媒体を吐出する吐出口と、
   前記地盤と熱交換した前記熱媒体を前記コルゲート管から排出する排出口と、
   前記掘削孔と前記コルゲート管との間に充填される充填材と、を有し、
   前記コルゲート管の管壁部の波形形状は、前記コルゲート管の管軸を中心軸とする螺旋形状に形成されており、
   前記コルゲート管の一方の管端部は、該管端部における前記波形形状の部分をねじ部として螺合するキャップ部材によって封止されており、
   前記キャップ部材で封止される前記管端部には、セメント系素材又は樹脂系素材のグラウト材が、前記キャップ部材と前記管端部とを跨ぐように充填されていることを特徴とする地中熱交換器。
2. 請求項１に記載の地中熱交換器であって、
   前記掘削孔として前記地盤に鉛直方向に掘削された竪孔に、前記コルゲート管は、その管軸を鉛直方向に沿わせて挿入されており、
   前記コルゲート管の鉛直方向の下側の管端部が前記キャップ部材により封止されているとともに、前記管端部に前記グラウト材が充填されていることを特徴とする地中熱交換器。
3. 請求項１又は２に記載の地中熱交換器であって、
   前記キャップ部材の内周面には、前記管端部の外周面における前記波形形状の部分を雄ねじとして螺合する雌ねじが形成されており、
   前記キャップ部材は、前記管端部を外から覆いつつ前記管端部を封止することを特徴とする地中熱交換器。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載の地中熱交換器であって、
   前記掘削孔と前記コルゲート管との間に充填される前記充填材は、炭化ケイ素、アルミナ、及び高炉スラグのうちの少なくとも何れか１種からなる長粒物を所定の容積含有率で含んでいることを特徴とする地中熱交換器。
5. 請求項４に記載の地中熱交換器であって、
   前記長粒物の長手方向の寸法が、１０〜５０ｍｍであり、
   前記長手方向と直交する方向の寸法が１〜３ｍｍであることを特徴とする地中熱交換器。