JP6160275B2 - 熱交換パイプユニット - Google Patents

Description

本発明は、地下熱（地中熱、地下水）や工場の排熱等と熱交換パイプを流れる熱媒体との間で熱交換を行う熱交換パイプユニットに関する。

近年、太陽光、風力等の再生可能エネルギーは、地球温暖化対策の観点、我が国自前のエネルギー源の観点等から、その導入が試みられている（例えば、特許文献１参照。）。

特許文献１の図８に記載された冷暖房ヒートポンプシステムは、地中に埋設された内径１０〜２５ｃｍｍ、深さ５０〜１００ｍの井戸ケースと、井戸ケース内の貯水室内に縦方向に並べて収容され、熱媒ガスが流れる２つの熱交換パイプと、各熱交換パイプに接続された室外機と、室外機に接続された室内熱交換器とを備える。熱交換パイプは、下端に位置する第１分岐器と、上端に位置する第２分岐器と、第１分岐器と第２分岐器とを接続する複数の分岐パイプとにより構成されている。

特開２０１１−７４７６号公報

しかし、従来の冷暖房ヒートポンプシステムでは、単位深さ当たりの熱交換効率が低いため、井戸の深さを５０ｍ以上に深くしなければならず、掘削工事の負担が大きいという問題がある。

したがって、本発明の目的は、単位深さ当たりの熱交換効率の向上を図り、掘削工事の負担を大幅に軽減することが可能な熱交換パイプユニットを提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、所定の方向に沿って配置された供給用メインパイプ及び戻り用メインパイプと、中央に配管空間が形成されるように筒状に湾曲して形成され、前記供給用メインパイプと前記戻り用メインパイプとを接続する複数の熱交換パイプとを有し、前記所定の方向に沿って一方から他方に向かって配列された複数の熱交換パイプマットと、前記一方の側に配列された前記熱交換パイプマットの前記配管空間を通るように配置され、前記他方の側に配列された前記熱交換パイプマットの前記供給用メインパイプ及び前記戻り用メインパイプにそれぞれ接続された供給用配管及び戻り用配管と、を備えた熱交換パイプユニットを提供する。

本発明によれば、単位深さ当たりの熱交換効率の向上を図り、掘削工事の負担を大幅に軽減することが可能になる。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱交換パイプユニットを示す図である。 図２は、第１の実施の形態に係る熱交換パイプマットを展開した状態を示す正面図である。 図３は、図２に示す熱交換パイプマットを渦巻き状に巻回した状態を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。 図４は、図３に示す熱交換パイプマットに保護ネットを被せる直前の状態を示す斜視図である。 図５は、図３に示す状態の熱交換パイプマットに保護ネットを被せた状態を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。 図６は、保護ネットが被された複数の熱交換パイプマットに供給用配管及び戻り用配管を接続した状態を示す斜視図である。 図７は、本発明の第２の実施の形態に係る熱交換パイプユニットを示す図である。 図８は、本発明の実施例を模式的に示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。なお、各図中、実質的に同一の機能を有する構成要素については、同一の符号を付してその重複した説明を省略する。

［実施の形態の要約］
本実施の形態の熱交換パイプユニットは、所定の方向に沿って配置された供給用メインパイプ及び戻り用メインパイプと、中央に配管空間が形成されるように筒状に湾曲して形成され、前記供給用メインパイプと前記戻り用メインパイプとを接続する複数の熱交換パイプとを有し、前記所定の方向に沿って一方から他方に向かって配列された複数の熱交換パイプマットと、前記一方の側に配列された前記熱交換パイプマットの前記配管空間を通るように配置され、前記他方の側に配列された前記熱交換パイプマットの前記供給用メインパイプ及び前記戻り用メインパイプにそれぞれ接続された供給用配管及び戻り用配管と、を備える。

「所定の方向」は、本熱交換パイプユニットの設置状態では、例えば鉛直方向である。「筒状に湾曲して形成」とは、熱交換パイプが１回以上渦巻き状に巻回された場合の他、１回に満たない範囲（例えば、３／４回以上１回未満）で巻回された場合を含む趣旨である。熱交換パイプを流れる熱媒体は、水、ガス等の流体を用いることができる。熱交換パイプユニットを構成する熱交換パイプ等は、樹脂製、又は銅、ステンレススチール等の金属製のものを用いることができる。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係る熱交換パイプユニットを示す図である。この熱交換パイプユニット１は、図１に示すように、例えば直径１５〜２５ｃｍ、深さ１０〜２０ｍの井戸孔１００に、鉛直方向（所定の方向）に沿って地表面１０１側（一方）から深さ方向（他方）に向かって配列されたｎ個の熱交換パイプマット２_１、２_２・・・２_ｎ（これらを総称するときは「熱交換パイプマット２」という。）を有する。なお、図１中、１０２は地下水から井戸孔１００に浸入した井戸水、１０３は井戸水１０２の水面である。

また、熱交換パイプユニット１は、ｎ個の熱交換パイプマット２にそれぞれ接続されて地表面１０１の外に延びるｎ本の供給用配管３及び戻り用配管４と、各熱交換パイプマット２の筒状の形状を保つ保持部材の一例としての保護ネット５とを備える。保護ネット５同士は市販の連結バンド６によって連結されている。最も深さ方向に位置する熱交換パイプマット２の保護ネット５には、浮き上がり防止のための重り７が吊り部材８によって吊るされている。

熱交換パイプマット２は、所定の方向に沿って配置された供給用メインパイプ２０及びリバースリターンパイプ２１と、中央に配管空間２４が形成されるように１回以上渦巻き状に形成され、供給用メインパイプ２０とリバースリターンパイプ２１の後述する戻り用メインパイプ２１０とを接続する複数の熱交換パイプ２２とを備える。

供給用配管３及び戻り用配管４は、地表面１０１側に配列された熱交換パイプマット２の配管空間２４を通るように配置され、地表面１０１から２番目以降の熱交換パイプマット２_２〜２_ｎの供給用メインパイプ２０及びリバースリターンパイプ２１の後述する延長用メインパイプ２１１にそれぞれ接続されている。地表面１０１に最も近い熱交換パイプマット２１には、供給用配管３及び戻り用配管４が配管空間２４を通らずに直接接続される。

保護ネット５は、例えば格子状の網目からなる網状になっており、例えばポリエチレン等の樹脂から形成されている。保護ネット５は、金属から構成されてもよく、表面が樹脂で被覆された金属から構成されてもよい。保護ネット５は、幅（鉛直方向の長さ）は熱交換パイプマット２の幅（鉛直方向の長さ）よりも長い方が好ましい。なお、保護ネット５は、各熱交換パイプマット２毎に設けなくても、２個以上の熱交換パイプマット２毎に設けてもよい。

熱交換パイプユニット１は、ヒートポンプ１０に供給用ライン１１及び戻り用ライン１２を介して接続されている。ヒートポンプ１０としては、熱回収式、水冷式のいずれのヒートポンプでもよい。ヒートポンプ１０は、供給用ライン１１からｎ個に分岐した供給用分岐ライン１１０と、戻り用ライン１２からｎ個に分岐した戻り用分岐ライン１２０とを有する。各熱交換パイプマット２の供給用メインパイプ２０は、それぞれの供給用配管３を介して供給用分岐ライン１１０に接続され、リバースリターンパイプ２１は、それぞれの戻り用配管４を介して戻り用分岐ライン１２０に接続されている。なお、図１中、１３は流量を調整する流量調整弁、１４は供給用分岐ライン１１０、戻り用分岐ライン１２０と供給用配管３、戻り用配管４とを接続する接続具である。

図２は、熱交換パイプマット２を展開した状態を示す正面図である。なお、図２において、符号に付された矢印以外の矢印は、熱媒体の流れる方向を示す。熱交換パイプマット２は、互いに平行に配置された供給用メインパイプ２０及びリバースリターンパイプ２１と、供給用メインパイプ２０とリバースリターンパイプ２１の戻り用メインパイプ２１０にほぼ同一ピッチでほぼ平行に接続された複数（図２では６４本）の熱交換パイプ２２と、熱交換パイプ２２の間隔を保持する複数の間隔保持部材２３とを備える。なお、熱交換パイプ２２の数は、同図に示すものに限られない。

供給用メインパイプ２０は、入口側端部に供給用配管３に接続するための第１のコネクタとしての供給側コネクタ２００を備える。

リバースリターンパイプ２１は、戻り用メインパイプ２１０、延長用接続パイプ２１２及び延長用メインパイプ２１１によってＵ字状に形成されている。延長用接続パイプ２１２及び延長用メインパイプ２１１は、延長用パイプを構成する。延長用メインパイプ２１１は、出口側端部に戻り用配管４に接続するための第２のコネクタとしての戻り側コネクタ２１３を備える。供給用メインパイプ２０及びリバースリターンパイプ２１は、熱交換パイプ２２の内径よりも大きい内径を有する。延長用メインパイプ２１１は、戻り用メインパイプ２１０と同じ長さでもよく、戻り用メインパイプ２１０よりも短くても長くてもよい。

熱交換パイプ２２は、断面円形を有し、例えば外径２〜５ｍｍ又は外径３〜４ｍｍを有する。熱交換パイプ２２のピッチは、例えば８〜２０ｍｍ又は１０〜１５ｍｍが好ましい。熱交換パイプ２２が配列される領域の幅は、０．３〜２ｍ又は０．５〜１．５ｍが好ましい。

熱交換パイプマット２の供給用メインパイプ２０、戻り用メインパイプ２１０及び複数の熱交換パイプ２２は、例えば、ポリプロピレン等の熱可塑性樹脂等からなり、供給用メインパイプ２０、戻り用メインパイプ２１０及び複数の熱交換パイプ２２をそれぞれ押出成形し、これらを溶着して組み立てられる。なお、供給用メインパイプ２０、戻り用メインパイプ２１０及び複数の熱交換パイプ２２は、射出成型等により一体的に形成してもよい。

（組立方法）
次に、熱交換パイプユニット１の組立方法の一例について説明する。図３は、図２に示す熱交換パイプマット２を渦巻き状に巻回した状態を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。図４は、図３に示す熱交換パイプマット２に保護ネット５を被せる直前の状態を示す斜視図である。図５は、図３に示す状態の熱交換パイプマット２に保護ネット５を被せた状態を示し、（ａ）は上面図、（ｂ）は正面図、（ｃ）は底面図である。図６は、保護ネット５が被された複数の熱交換パイプマット２に供給用配管３及び戻り用配管４を接続した状態を示す斜視図である。なお、図６は、下から２番目の保護ネット５の一部を省略して図示する。

まず、図２に示す熱交換パイプマット２を図３に示すように渦巻き状に巻回する。図３では４回巻回した状態を示す。渦巻き状に巻回された熱交換パイプマット２が渦巻き状の形状を保つため、樹脂製のバンドにより固定してもよい。

次に、図４及び図５に示すように、図３に示す状態の熱交換パイプマット２に保護ネット５を被せる。次に、保護ネット５の端部同士を市販（公知）の止め具５０により固定する。熱交換パイプマット２と保護ネット５は、図示しない市販（公知）のバンドにより固定する。

次に、図６に示すように、保護ネット５が被された各熱交換パイプマット２を長手方向に配列し、各熱交換パイプマット２の供給用メインパイプ２０の供給側コネクタ２００に供給用配管３を接続し、リバースリターンパイプ２１の戻り側コネクタ２１３に戻り用配管４を接続する。地表面１０１側から２番目以降の熱交換パイプマット２_２〜２_ｎに接続される供給用配管３及び戻り用配管４は、地表面１０１側に位置する熱交換パイプマット２の内側の配管空間２４を通るように接続する。地表面１０１に最も近い熱交換パイプマット２_１には、供給用配管３及び戻り用配管４を配管空間２４を通らずに直接接続される。次に、保護ネット５同士を市販の連結バンド６で連結する。最も深さ方向に位置する熱交換パイプマット２を保護する保護ネット５に重り７を吊り部材８によって吊るす。ここまでの作業は、地上で行う。

以上のようにして組み立てられた熱交換パイプユニット１を井戸孔１００に挿入する。このとき、重り７を先にして井戸孔１００に挿入する。各供給用配管３を供給用ライン１１の供給用分岐ライン１１０に接続し、各戻り用配管４を戻り用ライン１２の戻り用分岐ライン１２０に接続する。

（第１の実施の形態の動作）
次に、本実施の形態に係る熱交換パネルユニット１の動作の一例をヒートポンプ１０が冷房運転する場合について説明する。

ヒートポンプ１０と例えば室内熱交換器との間で熱交換されて例えば３０℃に温められた熱媒体が供給用ライン１１に供給されると、その熱媒体は、各供給用分岐ライン１１０に分岐し、それぞれの供給用配管３を介して各熱交換パイプマット２の供給用メインパイプ２０に供給される。供給用メインパイプ２０に供給された熱媒体は、各熱交換パイプ２２に分岐し、熱交換パイプ２２に沿って螺旋状に循環する。熱媒体が熱交換パイプ２２を循環する間に熱媒体は常時ほぼ一定の温度（例えば１５℃）の井戸水１０２と熱交換し、例えば２０℃に冷やされる。冷やされた熱媒体は、リバースリターンパイプ２１、戻り用配管４、戻り用分岐ライン１２０及び戻り用ライン１２を介してヒートポンプ１０に戻り、室内熱交換器による室内の冷房に供される。

（第１の実施の形態の効果）
本実施の形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）熱交換パイプ２２を渦巻き状に巻回しているので、直径２０ｃｍ程度の井戸孔１００内に容易に設置することができる。
（２）熱交換パイプ２２を鉛直軸を中心に渦巻き状に巻回しているので、単位深さ当たりの熱交換効率の向上を図ることができる。
（３）井戸孔１００の深さが１０ｍ程度で従来と同等の熱交換効率を発揮することができるので、掘削工事の負担を大幅に軽減することができる。
（４）井戸孔１００の深さ等に応じて必要な数の熱交換パイプマット２を用いることができるため、熱交換パイプマット２の量産が可能になる。
（５）井戸孔の直径に応じた熱交換パイプ２２の長さのものを用いることで、各種サイズの井戸孔に容易に適用することができる。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態に係る熱交換パイプユニットを示す図である。第１の実施の形態は、供給用ライン１１及び戻り用ライン１２を複数の供給用分岐ライン１１０及び戻り用分岐ライン１２０に分岐したが、本実施の形態は、供給用配管３及び戻り用配管４を分岐したものである。以下、第１の実施の形態と異なる点を中心に説明する。

本実施の形態の熱交換パイプユニット１は、ヒートポンプ１０に供給用ライン１１及び戻り用ライン１２を介して接続されている。供給用ライン１１には、各熱交換パイプマット２に対して共通の供給用配管３が接続され、戻り用ライン１２には、各熱交換パイプマット２に対して共通の戻り用配管４が接続されている。戻り用配管４は、第１の戻り用配管４ａと第２の戻り用配管４ｂとから構成されている。各熱交換パイプマット２の供給用メインパイプ２０と供給用配管３とは分岐配管３０_１、３０_２、・・・３０_ｎによって接続されている。各熱交換パイプマット２のリバースリターンパイプ２１と戻り用配管４とは分岐配管４０_１、４０_２、・・・４０_ｎによって接続されている。

（第２の実施の形態の動作）
次に、本実施の形態に係る熱交換パネルユニット１の動作の一例をヒートポンプ１０が冷房運転する場合について説明する。

ヒートポンプ１０と例えば室内熱交換器との間で熱交換されて例えば３０℃に温められた熱媒体が供給用ライン１１に供給されると、その熱媒体は、供給用配管３及び分岐配管３０_１〜３０_ｎを介して各熱交換パイプマット２の供給用メインパイプ２０に供給される。供給用メインパイプ２０に供給された熱媒体は、各熱交換パイプ２２に分岐し、熱交換パイプ２２に沿って螺旋状に循環する。熱媒体が熱交換パイプ２２を循環する間に熱媒体は常時一定の温度（例えば１５℃）の井戸水１０２と熱交換し、例えば２０℃に冷やされる。冷やされた熱媒体は、リバースリターンパイプ２１、分岐配管４０_１〜４０_ｎ、戻り用配管４及び戻り用ライン１２を介してヒートポンプ１０に戻り、室内熱交換器による室内の冷房に供される。

（第２の実施の形態の効果）
第２の実施の形態においても、第１の実施の形態と同様に直径２０ｃｍ程度の井戸孔１００内に設置することができ、単位深さ当たりの熱交換効率の向上を図ることができ、掘削工事の負担を大幅に軽減することができる。また、熱交換パイプマット２の数が多い場合でも、配管空間２４を通る供給用配管３及び戻り用配管４の数が変わらないので、配管施工が容易となる。

図８は、本発明の実施例を模式的に示す図である。

実施例の熱交換パイプユニット１は、以下のものを使用した。
（ａ）熱交換パイプ２２の直径：内径２．３ｍｍ、外径３．４ｍｍ
（ｂ）熱交換パイプ２２の材質：ポリプロピレン
（ｃ）１つの熱交換パイプマット２当たりの熱交換パイプ２２の本数：９６本
（ｄ）熱交換パイプ２２の１本当たりの長さ：約２ｍ
（ｅ）熱交換パイプ２２の配列ピッチ：１０ｍｍ
（ｆ）熱交換パイプ２２の配列幅：約１ｍ
（ｇ）熱交換パイプ２２を筒状に湾曲したときの外径：１９０ｍｍ
（ｈ）井戸孔１００の内径：２００ｍｍ
（ｉ）使用した熱交換パイプマット２の数：６個
（ｊ）井戸孔１００における熱交換パイプマット２の位置：地表面１０１から４ｍから１０ｍ（地表面１０１から４ｍに設置したのは、井戸水１０２の温度が地表面１０１から４ｍより深い位置でほぼ一定の１５℃になるからである。）

比較例は、以下のＵチューブを用いた。
（ａ）Ｕチューブの直径：内径２８．８ｍｍ、外径３６ｍｍ
（ｂ）Ｕチューブの材質：ポリエチレン
（ｃ）Ｕチューブの長さ：片道１７．６ｍ

本実施例は、上記条件の下でシミュレーションした結果、単位深さ当たりの熱交換効率が比較例の４．２倍になることが分かった。この結果から、井戸の深さは従来５０ｍ（有効深さ４６ｍ）必要だったが、本実施例によれば１１ｍ程度でよいことが分かる。

［他の実施の形態］
なお、本発明の実施の形態は、上記各実施の形態に限定されず、発明の要旨を変更しない範囲内で種々に変形実施が可能である。例えば、上記各実施の形態では、熱交換パイプマットを井戸孔内に設置した場合について説明したが、工場から排出される工業用水のタンク内に熱交換パイプを設置してもよい。これにより工場の排熱回収を行うことができる。

また、本熱交換パイプユニット１を地中に埋設して地中熱と熱交換できるようにしてもよい。この場合は、例えば、地中に設けたコンクリート杭に熱交換パイプユニット１を設置し、コンクリート杭内の隙間に砂利や充填剤等を充填する。

また、上記各実施の形態では、熱交換パイプマットとして、戻り側にＵ字状のリバースリターンパイプを用いたが、供給側にＵ字状のパイプを用いてもよい。また、熱交換パイプは、供給用メインパイプの供給側開口と戻り用メインパイプの排出口が同じ向きに設けられたものでもよい。また、複数の熱交換パイプマットを重ねて渦巻き状に巻回してもよい。また、上記各実施の形態では、渦巻き状に巻回した複数の熱交換パイプマットを井戸孔内に鉛直方向に配列したが、渦巻き状に巻回した複数の熱交換パイプマットを工場の排液タンク内等に平面的に配列してもよい。また、渦巻き状に巻回した１つの熱交換パイプマットを井戸孔に設置してもよい。

上記各実施の形態では、ｎ個の熱交換パイプマットにそれぞれ供給用配管及び戻り用配管を接続して並列配管したが、各熱交換パイプマット毎に供給用配管及び戻り用配管を接続しなくても、２個以上の熱交換パイプマットを直列に接続し、それらの単位毎に供給用配管及び戻り用配管を接続してもよい。

また、本発明の要旨を変更しない範囲内で上記実施の形態の構成要素のうち一部を除くことも可能である。例えば、保護ネット５は省いてもよい。

本発明は、地下熱（地中熱、地下水）や、工場、ビル、変電所、ごみ焼却炉等の排熱との熱交換に利用可能である。

１…熱交換パイプユニット、２…熱交換パイプマット、３…供給用配管、４…戻り用配管、
４ａ…第１の戻り用配管、４ｂ…第２の戻り用配管、５…保護ネット、６…連結バンド、
７…重り、８…吊り部材、１０…ヒートポンプ、１１…供給用ライン、
１２…戻り用ライン、１３…流量調整弁、１４…接続具、２０…供給用メインパイプ、
２１…リバースリターンパイプ、２２…熱交換パイプ、２３…間隔保持部材、
２４…配管空間、３０_１〜３０_ｎ…分岐配管、４０_１〜４０_ｎ…分岐配管、５０…止め具、
１００…井戸孔、１０１…地表面、１０２…井戸水、１０３…井戸水の水面、
１０４…堆砂、１１０…供給用分岐ライン、１２０…戻り用分岐ライン、
２００…供給側コネクタ、２１０…戻り用メインパイプ、２１１…延長用メインパイプ、
２１２…延長用接続パイプ、２１３…戻り側コネクタ

Claims (5)

1. 所定の方向に沿って配置された供給用メインパイプ及び戻り用メインパイプと、中央に配管空間が形成されるように筒状に湾曲して形成され、前記供給用メインパイプと前記戻り用メインパイプとを接続する複数の熱交換パイプとを有し、前記所定の方向に沿って一方から他方に向かって配列された複数の熱交換パイプマットと、
   前記一方の側に配列された前記熱交換パイプマットの前記配管空間を通るように配置され、前記他方の側に配列された前記熱交換パイプマットの前記供給用メインパイプ及び前記戻り用メインパイプにそれぞれ接続された供給用配管及び戻り用配管と、
   を備えた熱交換パイプユニット。
2. 前記熱交換パイプマットは、
   前記供給用メインパイプ又は前記戻り用メインパイプの一方の端部に設けられ、前記供給用配管又は前記戻り用配管に接続される第１のコネクタと、
   前記戻り用メインパイプ又は前記供給用メインパイプの他方の端部に接続され、前記一方に延びて前記配管空間に配置された延長用パイプと、
   前記延長用パイプの前記一方の端部に設けられ、前記戻り用配管又は前記供給用配管に接続される第２のコネクタと、
   を備えた請求項１に記載の熱交換パイプユニット。
3. 前記熱交換パイプマットは、前記複数の熱交換パイプが渦巻き状に巻回された請求項１又は２に記載の熱交換パイプユニット。
4. 前記熱交換パイプマットは、前記複数の熱交換パイプの筒状の形状を保持する網状の保持部材を備えた請求項１から３のいずれか１項に記載の熱交換パイプユニット。
5. 前記複数の熱交換パイプマットは、井戸内に配置された請求項１から４のいずれか１項に記載の熱交換パイプユニット。

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