JP6161914B2 - 地中熱交換器の設置工法とその設置装置 - Google Patents

Description

本発明は、地中に埋設して熱交換を行なう地中熱利用システムにおける地中熱交換器の設置工法とその設置装置に関する。更に詳しくは地中熱交換器を錘体の自重のみで高比重・高粘性流体内に設置、固定できる地中熱交換器の設置工法とその設置装置に関する。

建造物あるいは土木関係の基礎として使用される杭あるいは掘削孔等に地中熱交換器を埋設させて地中熱交換を行なうことは従来から知られている。地中は外気に比し温度変化が少なく、このため外気との温度差による地中の熱エネルギーを利用するために地中熱交換器を使用している。即ち、地中は一種の蓄熱体の機能を有している。地中熱交換器を地中に埋設するためには、掘削工事が欠かせない。

このため例えば掘削の伴う杭設置工事の際同時に地中熱交換器の設置が行なわれることがある。これに使用される地中熱交換器はチューブ式あるいはパイプ式と称されているもので、ステンレス製のＵ字管あるいはポリエチレン等のプラスチック製のＵ字管（Ｕチューブ）である。この地中熱交換器を複数セットで杭孔に埋設し、周囲をグラウト材で充填し杭を構築しながら地中熱交換器を設置する。

その設置例として、中空部を有する削孔鋼管と離脱可能な先端鋼管を有し、掘削孔の底部に達したとき削孔鋼管の中空部内に地中熱交換器を挿入し先端鋼管に結合させ、その後削孔鋼管を切り離して地上に回収し地中熱交換器を掘削孔に設置する工法が開示されている（例えば、特許文献１参照）。この工法は設置段階で削孔鋼管を回転させる動作を必要とし、最終的に地中熱交換器を切り離された先端鋼管とともにクラウド材の充填で掘削孔に設置するものである。

又、中空杭体の中空部に地中熱交換器用パイプが付設されたもので、このパイプの浮上を防止する浮上防止手段を設けているものが開示されている（例えば、特許文献２参照）。更に、根固めされた後の既製杭体に設置されるもので、この杭体を案内ガイドとしてその外周部に中間部をリングで固定された地中熱交換ユニットを設置する工法が開示されている（例えば、特許文献３参照）。更に不凍液等の熱交換媒体を上下方向に循環できるようなＵ字管を複数個並べて取り付ける熱交換器の設置工法も開示されている（例えば、特許文献４参照）。この熱交換器は固定バンドの取り付け構成とし、温度計測用センサーを装着したものとなっている。

特開２００２−３０３０８８号公報 特開２００８−９６０６３号公報 特開２００９−８５５５６号公報 特開２０１２−５７８２４号公報

前述したように、杭設置施工で地中熱交換器を設置する技術は、基本的には杭体を伴う設置方法で、杭体の内部又は外部への設置の相異はあるものの杭体を伴うものが大半でその設置技術は公知である。しかしながら、以上説明した従来の地中熱交換器の設置構成は簡素化され、低コストの構成とは言いがたいものであった。

特許文献１の技術は、離脱された先端鋼管に関連し、地中熱交換器を掘削後に削孔鋼管内に後で挿入し、先端鋼管に接続させ、削孔鋼管を引き抜き地中熱交換器を設置するものであるが、削孔鋼管の回転動作を要し地中熱交換器の接続構成が複雑で確実性に難点がある。浮き上がり防止は地底に張り出すスクリューによっているが、地盤が軟弱の場合にはその機能を果たせないことになる。

又、他の例において、既製コンクリート杭体の内部に地中熱交換器を挿入し、地中へ設置するものであるが、浮き上がり防止手段は杭体の底部に設けられたカバーに地中熱交換器を固定したとするものである。この基礎杭に地中熱交換器を固定し埋設する構成のものであり、高比重・高粘性流体が充填された杭体の内側又は外側に埋設する地中熱交換器に適用できるものではない。

特に、高比重、高粘性流体（例えば、グラウド材）は発生する浮力が大きく、Ｕチューブ等の地中熱交換器を高比重・高粘性流体（グラウド材）が満たされた中に簡素な方法で挿入することは困難であった。例えば、高比重・高粘性の安定液やソイルセメント、コンクリート等の流体で満たされたＰＨＣ杭の中に地中熱交換用のＵチューブ（ポリエチレン製のパイプ）を挿入する場合は、内部を満たしている流体の浮力に打ち勝つ重量の錘を取り付けて降下させる必要があった。又は流体を排出させ、清水に置換してからパイプを設置する等の方法が施工されていた。

しかし、浮力に打ち勝つ重量の錘体をＵチューブの先端に取り付けて降下させると、Ｕチューブのパイプ部に大きな引っ張り力が作用し、挿入作業時に損傷等のトラブルの危険性のおそれがあった。Ｕチューブを簡素な構成で所定深度まで正確に安定して設置するのは、実際面では極めて困難であった。このように、地中熱交換器を設置するときの設置時間、設置コストが増大することは、地中熱利用システムの普及拡大を阻害する要因の一つとなっていた。

本発明は上述のような技術背景のもとになされたものであり、下記目的を達成する。本発明の目的は、杭体の施工工事している過程において地中熱交換器の設置が容易にでき、構成を簡素化した浮き上がり防止機能を有して杭体の内側又は外側に確実に容易に設置ができ、地中熱交換器を設置するときの設置時間、設置コストを削減することができる地中熱交換器の設置工法とその設置装置を提供することにある。

本発明は、前記目的を達成するため、次の手段を採る。
本発明１の地中熱交換パイプの設置方法は、
掘削された杭孔内に設けられた杭体の内側又は外側に、地中熱利用システムにおける地中熱交換器を挿入し所定の深さ位置に設置する工法であって、
錘体昇降装置により昇降動作可能な錘体を、前記地中熱交換器を支持している支持装置又は支持部材に当接させて、前記杭体の内側又は外側に充填された高比重・高粘性流体内に、前記地中熱交換器及び前記錘体を前記錘体の自重で降下させる工程と、
前記地中熱交換器を前記高比重・高粘性流体内の所定の深さ位置に降下させた後、前記高比重・高粘性流体から受ける浮力により前記地中熱交換器が浮上することを制止して前記地中熱交換器を前記杭体又は前記杭孔に固定する工程と、
前記地中熱交換器を前記高比重・高粘性流体内に固定した状態で、前記錘体のみを地上に引き上げる工程とからなり、
前記地中熱交換器を固定する工程は、前記支持装置又は前記支持部材に設けた制止部材を前記杭体又は前記杭孔の孔壁に制止させ、前記地中熱交換器を前記杭体又は前記杭孔に固定する工程であり、
前記制止部材は、一端が前記支持装置又は前記支持部材に固定され、他端に歯形部材を有する弾性変形可能な部材であり、
前記地中熱交換器を固定する工程は、前記制止部材を前記浮力により前記杭体側に付勢し、前記歯形部材が前記杭体の壁面を押圧することで制止し、固定する工程である。

本発明２の地中熱交換器の設置工法は、
掘削された杭孔内に設けられた杭体の内側又は外側に、地中熱利用システムにおける地中熱交換器を挿入し所定の深さ位置に設置する工法であって、
錘体昇降装置により昇降動作可能な錘体を、前記地中熱交換器を支持している支持装置又は支持部材に当接させて、前記杭体の内側又は外側に充填された高比重・高粘性流体内に、前記地中熱交換器及び前記錘体を前記錘体の自重で降下させる工程と、
前記地中熱交換器を前記高比重・高粘性流体内の所定の深さ位置に降下させた後、前記高比重・高粘性流体から受ける浮力により前記地中熱交換器が浮上することを制止して前記地中熱交換器を前記杭体又は前記杭孔に固定する工程と、
前記地中熱交換器を前記高比重・高粘性流体内に固定した状態で、前記錘体のみを地上に引き上げる工程とからなり、
前記地中熱交換器を固定する工程は、前記支持装置又は前記支持部材に設けた制止部材を前記杭体又は前記杭孔の孔壁に制止させ、前記地中熱交換器を前記杭体又は前記杭孔に固定する工程であり、
前記制止部材は、一端が前記支持装置又は前記支持部材に固定され、他端に係止部を有する弾性変形可能な部材であり、
前記地中熱交換器を固定する工程は、前記制止部材を前記浮力により前記杭体又は前記杭孔側に付勢し、前記係止部を前記杭体の結合部に設けられた被係止部又は前記杭孔の前記孔壁に係止させて、前記地中熱交換器を前記杭体又は前記杭孔に固定する工程であることを特徴とする。

本発明３の地中熱交換器の設置工法は、
掘削された杭孔内に設けられた杭体の内側又は外側に、地中熱利用システムにおける地中熱交換器を挿入し所定の深さ位置に設置する工法であって、
錘体昇降装置により昇降動作可能な錘体を、前記地中熱交換器を支持している支持装置又は支持部材に当接させて、前記杭体の内側又は外側に充填された高比重・高粘性流体内に、前記地中熱交換器及び前記錘体を前記錘体の自重で降下させる工程と、
前記地中熱交換器を前記高比重・高粘性流体内の所定の深さ位置に降下させた後、前記高比重・高粘性流体から受ける浮力により前記地中熱交換器が浮上することを制止して前記地中熱交換器を前記杭体又は前記杭孔に固定する工程と、
前記地中熱交換器を前記高比重・高粘性流体内に固定した状態で、前記錘体のみを地上に引き上げる工程とからなり、
前記錘体は、磁石製のガイドリングを介して昇降動作可能なものである ことを特徴とする。

本発明４の地中熱交換器の設置工法は、本発明１から３において、
前記高比重・高粘性流体は、高比重・高粘性のソイルセメント、コンクリート、高粘性掘削安定流体、ベンナイトから選択される１種、又は、これらの混合物の流体である ことを特徴とする。

本発明５の地中熱交換器の設置装置は、
掘削された杭孔内に設けられた杭体の内側又は外側に、地中熱利用システムにおける地中熱交換器を挿入し所定の深さ位置に設置する地中熱交換器の設置装置であって、
前記地中熱交換器の先端部を支持している支持装置と、
前記支持装置の上部に当接して自重を付与し、前記自重により前記支持装置に支持された前記地中熱交換器を、前記杭体の内側又は外側に充填された高比重・高粘性流体内の所定の深さ位置に降下させるための錘体と、
前記錘体を昇降動作させる錘体昇降装置と、
一端が前記支持装置に固定され、他端に歯形部材又は係止部を有する弾性変形可能な部材であって、前記地中熱交換器が前記高比重・高粘性流体から浮力を受け上昇しようとするとき前記浮力の作用により弾性変形して、前記歯形部材が前記杭体に押圧、又は、前記係止部が前記杭体に設けられた被係止部又は前記杭孔の孔壁に係止され、前記地中熱交換器が前記浮力により上昇することを制止するための制止部材とからなり、
前記錘体は、前記地中熱交換器を前記制止部材の作用により前記高比重・高粘性流体内に固定させた後、前記錘体昇降装置の作用により地上に引き上げられるものである ことを特徴とする。

本発明の地中熱交換器の設置工法とその設置装置は、地中熱交換器を錘体の自重により降下させる動作のみで、杭体の内側又は外側に充填されている高比重・高粘性流体内に降下、設置できるようになった。又、この地中熱交換器の設置工法は、杭体の施工工事している過程において地中熱交換器の設置が容易にでき、構成を簡素化した浮き上がり防止機能を有して杭体の内側又は外側に確実に容易に設置ができ、地中熱交換器を設置するときの設置時間、設置コストを削減することができるようになった。このことは、杭体を設置している過程で地中熱交換器を設置でき、地中熱交換器の設置費用、設置期間等を削減することができ、地中熱利用システムの普及拡大に貢献することができる。

本発明の地中熱交換器の設置装置は、自重を付与して地中熱交換器を杭体の内側又は外側に充填されている高比重・高粘性流体内に降下させる錘体と、地中熱交換器を支持する支持装置（支持部材）に一端が固定され、他端に杭体を押圧する歯形部材、被係止部材又は杭壁に係止される係止部を有し、地中熱交換器を杭体又は杭孔に制止させるための制止部材とを有する簡素な構成のものであり、地中熱交換器の設置がたいへん容易である。又、制止部材は、高比重・高粘性流体からが受ける浮力を利用して確実に杭体又は杭孔に制止するものであり、低コストでの設置が可能で、地中熱利用システムの普及拡大に貢献することができる。

図１は、地中熱利用システムの地中熱交換器の設置装置の構成を示す断面図であって、杭体の内部に地中熱交換器を設置する形態を示す断面図である。 図２は、図１をＡ−Ａ線で切断したＡ−Ａ断面図で、地中熱交換器とリング体との結合状態を示す断面図である。 図３は、制止部材の構成を示す説明図である。 図４は、制止部材の変形例の構成を示す部分断面図である。 図５は、地中熱交換器を杭体の内部に設置する設置工法の手順を示す工程図である。 図６は、他の実施の形態１の地中熱交換器の設置装置を示す図であって、地中熱交換器を杭体の外側に設置する形態を示す部分平面図である。 図７は、他の実施の形態１の地中熱交換器の設置装置の部分正面図である。 図８は、他の実施の形態２の地中熱交換器の設置装置を示す図であって、杭体の外側に一つの地中熱交換器を設置する形態を示す部分正面図である。 図９は、他の実施の形態２の地中熱交換器の設置装置の変形例である。 図１０は、他の実施の形態３の地中熱交換器の設置装置を示す図であって、錘体の変形例を示す部分断面図である。 図１１は、図１０をＣ−Ｃ線で切断したＣ−Ｃ断面図である。

次に、本発明の実施の形態を図１から５に基づき説明する。図１の構成は、本発明の地中熱利用システムの地中熱交換器の設置装置の構成を示す断面図である。なお、地中熱利用システム１は、例えば、地中熱交換器２を含む一次側熱交換システム、ヒートポンプ（図示せず）、二次側熱交換システム（図示せず）等から構成されるものである。このような地中熱利用システム１は公知なものであり、この形態では詳細な説明を省略する。本発明の基本形態は、地中熱利用システム１における一次側熱交換システムの一部を構成する地中熱交換器であるＵチューブ２を錘体４の自重で杭体３の内側（中）又は外側に降下させた後、支持装置５及び制止部材１２で固定する設置工法とその設置装置である。図は、支持装置５で支持された複数のＵチューブ（地中熱交換器）２が、錘体４の自重を支持装置５に付与し、支持装置５を介してＵチューブ２が杭体３に設置される構成を示している。

なお、このＵチューブ（地中熱交換器）２は、蓄熱用として利用することもできる。すなわち、このＵチューブ２は、太陽熱で造成した温水を循環して杭の中、地中に蓄熱するものであってもよい。例えば、６対のＵチューブを設置して、３対はヒートポンプの熱源水を循環し、残りの３対には太陽熱で造成した温水を循環して杭の中、地中に蓄熱して暖房熱源として利用してもよい。このようにすることにより、ヒートポンプの運転効率の向上を図ることができる。又、６対のＵチューブを設置して、３対はヒートポンプの熱源水を循環し、残りの３対のＵチューブに夜間の冷気、雪氷冷熱等を利用して冷熱を蓄熱してもよい。この冷熱を蓄熱して、ヒートポンプの冷房運転を行うことで、ヒートポンプの運転効率を上げることができる。

Ｕチューブ２は、掘削された杭孔内に設けられた杭体３の内側（中）又は外側に充填された高比重・高粘性流体１３内に、かつ、所定の深さ位置に設置されるものである。又、錘体４はワイヤ６によって吊り下げられている。錘体４は、ワイヤ６を介して錘体昇降装置７により昇降することができる。錘体４とワイヤ６との間にはスイベル体４ａが設けられ、スイベル体４ａを介して錘体４を支持する構成としている。スイベル体４ａはベアリング機構を内蔵し、ワイヤ６の捩れによる回転力がＵチューブ２側に伝達させないためのものである。この錘体昇降装置７は、クレーン、電動ウィンチ等昇降手段、ワイヤ６等から構成されるものであり、錘体昇降装置７により錘体４は昇降動作を行う。複数のＵチューブ２はこの錘体４の周囲に上下方向に沿って配置されている。

錘体４とＵチューブ２との関係はフリー状態になっていて、Ｕチューブ２を杭体３の内側又は外側に充填された高比重・高粘性流体１３内に降下させる。従って、Ｕチューブ２を高比重・高粘性流体１３に降下させるに際しては、Ｕチューブ２は高比重・高粘性流体１３が発生する浮力が作用し、Ｕチューブ２単独で降下させることは困難である。このため、Ｕチューブ２を降下、設置する際は、Ｕチューブ２が取り付けられた支持装置５の上部に錘体４を当接させて錘体４の自重で高比重・高粘性流体１３内にＵチューブ２を降下させるものである。錘体４の重量は、Ｕチューブ２が受ける浮力に抗してＵチューブ２を高比重・高粘性流体１３内に降下させることが可能な重量のものである。

この高比重・高粘性流体１３は、高比重・高粘性のソイルセメント、コンクリート、高粘性掘削安定流体、ベンナイトから選択される１種、又は、これらの混合物である。従って、本形態では、この高比重・高粘性流体１３からＵチューブ２が受ける浮力を上回る重量の錘体４を、Ｕチューブ２とは独立した形態での動作で降下させ、Ｕチューブ２を支持している支持装置５の上部に当接させ、高比重・高粘性流体１３の中を降下、挿入するようにしている。

Ｕチューブ２を支持装置５とともに高比重・高粘性流体１３内の所定の深さ位置に降下させ、支持装置５を杭体３に制止させてＵチューブ２及び支持装置５を設置した後は、錘体４のみを地上に回収する。これら複数のＵチューブ２は、図５（ｄ）に示すように中間部位が所定の間隔Ｌ毎にリング体８を介して連結されている。このリング体８は、Ｕチューブ２を杭体３の内側に、所定の間隔Ｌで保持するためのものであり、深さ数ｍの間隔で設置される。又、リング体８は、Ｕチューブ２の間隔も所定の間隔に設定することができる。リング体８は、金属製あるいはプラスチックパイプ製のリングであり、簡易な構成のものである。

Ｕチューブ２をこのリング体８の任意位置に手作業で、結束部材である結束バンド（例えば、インシュロック；登録商標）、針金等の結紮部材８ａを介して結紮させる。このようにして、所定位置に複数のＵチューブ２を連結できるようにしている。図２は６セットのＵチューブ２を連結したものとしている。なお、Ｕチューブは、図２において実線で示すＵチューブ２のように２本一緒に結紮部材８ａでリング体８に結紮してもよく、図２において２点鎖線で示すＵチューブ２のように、任意の位置（任意の角度毎）に結紮部材８ａでリング体８に結紮してもよい。

Ｕチューブ２は公知のものであるが、本形態の場合はポリエチレン製のＵチューブ（地中熱採熱管）のものとしている。即ち、Ｕチューブ２は、２本のチューブを並列に構成して端部を連結したものをセットとしている。図１において矢印で示すように、循環ポンプ（図示せず）により一次側循環路を循環している熱媒体は、一方の入口から地中内に供給され、Ｕチューブ２内を循環することで地中と熱交換をし、出口から温度の異なる熱媒体として吐出される。この熱媒体は、清水、不凍液、水と不凍液との混合液等である。
リング体８はＵチューブの上下方向に複数個配置していて、複数のセット構成をなすＵチューブ２を上下方向の所定位置で間隔をおいて複数ヶ所で保持している。Ｕチューブ２の下端は先端部２ａを介して支持装置５に取り付けられていて、このＵチューブ２の先端部２ａに形成された支持装置５の上部に取り付けられた連結部材９を介して支持されている。

従って、各々のＵチューブ２は中間部がリング体８で整列して、杭体３の内側に保持されると同時に、下部は支持装置５に支持された構成になっている。支持装置５は錘体４とは離間状態の関係にあるが、高比重・高粘性流体１３内に挿入される際は、浮力で上向きの力が生じている状態となる。Ｕチューブ２を杭体３に挿入するときには、錘体４が支持装置５に当接し、Ｕチューブ２とともに一体になって錘体４の自重で降下することになる。
錘体４と支持装置５とは、挿入時に円周方向に大きくぶれが生じないように、錘体４の軸方向端部を凸状にして、支持装置５の円筒体１０に嵌め込むように構成している。即ち、支持装置５のベースは円筒体１０で構成されるが、この円筒体１０内に錘体４の下部の軸部４ａを挿入させる構成としている。従って、Ｕチューブ２が地中に設置される場合は、錘体４の軸部４ｂの段差部が円筒体１０の端部１０ａに当接する。支持装置５の上部外周には、即ち円筒体１０外部に、杭体３の内壁３ａ方向に張り出す形の支持部材１１が固定されている。

この支持部材１１の端部にＵチューブ２の先端部２ａが連結部材９を介して取り付けられている。更に、この支持部材１１の下部に、この支持装置５を杭体３の内壁３ａに制止させるための制止部材１２が取り付けられている。この制止部材１２は、杭体３の内壁３ａに直接接触する歯形部材１２ａと、歯形部材１２ａが直結され弾性変形可能なバネ部材１２ｂとで構成されている。バネ部材１２ｂは、一端１２ｃが支持装置５の円筒体１０に固定され、他端１２ｄに歯形部材１２ａが設けられ、歯形部材１２ａは、バネ部材１２ｂの弾性力で常時内壁３ａ側に押圧されている。歯形部材１２ａは、支持装置５が錘体３の自重で降下するとき、バネ部材１２ｂが弾性変形しながら杭体３の内壁３ａに接触し移動可能である。又、図３に示すように、Ｕチューブ２、支持装置５等が浮力により上昇しようとするときには、浮力の作用により歯形部材１２ａが内壁３ａに押圧され上昇することが規制されるようになっている。

バネ部材１２ｂは前述のように、円筒体１０の外周に固定されており、バネ部材１２ｂと直結している歯形部材１２ａは、本形態では円周方向の３方向に等角度に張り出して設けられている。歯形部材１２ａはバネ部材１２ｂに比し上方に位置して設けられていて、Ｕチューブ２が降下するときには、弾性力で杭体３の内壁３ａに所定の形状（例えば、三角形状）の歯形面が接触している状態になっている。

Ｕチューブ２が所定の深さ位置に到達すると、その状態で錘体４を地上に引き上げる。高比重・高粘性流体１３が充填されているので、杭体３内に挿入されたＵチューブ２、支持部材５等には浮力が生じ、Ｕチューブ２等を地上側に押し上げる力が生じる。

しかし、歯形部材１２ａは歯形面が杭体３の内壁３ａに押圧される力によりこの浮力に抗し支持装置５等の上昇を制止している。このことはＵチューブ２を杭体３内に留める機能を有していることになる。図３の部分図に示すように、支持装置５に下方から浮力により上方向に浮き上がり力が生じると、支持装置５には上方に向けて矢印で示す力Ｆ１が作用する。支持装置５が降下しているときには歯形部材１２ａが杭体３の内壁３ａにバネ部材１２ｂのバネ力のみで押圧された状態になっているが、浮力によるで力Ｆ１が作用すると、バネ部材１２ｂは二点鎖線で示すように撓み、バネ部材１２ｂに杭体３の内壁３ａ方向への分力Ｆ２がバネ部材１２ｂに生じる。歯形部材１２ａは、バネ部材１２ｂのバネ力と分力Ｆ２とにより杭体３の内壁３ａに食い込むような押圧力が生じ、支持装置５の上昇を制止している。

このことで歯形部材１２ａは、錘体４を上昇させ、錘体４の自重が付与されない状態になっても、杭体３の内壁３ａに強固に押圧される。この押圧力により、支持装置５が杭体３に対して上昇するおそれが解消され、錘体４が錘体昇降装置７の作動により地上に引き上げられる。Ｕチューブ２は、高比重・高粘性流体１３が充填されていても、杭体３内に留まることができる。Ｕチューブ２の設置装置はこのような構成になっている。

図５に従って、Ｕチューブ（地中熱交換器）２を杭体３の内部（中）に設置する設置工法について説明を行う。このＵチューブ２は、杭体３を施工している時、杭体３の内側又は外側に設置することができる。図５（ａ）〜図５（ｄ）は、杭体３の内側にＵチューブ２を設置する設置工法の手順を示す工程図である。図５（ａ）は、Ｕチューブ２を支持している支持装置５の上部に錘体４が当接し、錘体４の自重で杭体３内に降下される途中段階を示している。杭体３内には高比重・高粘性流体１３が充填されている。

支持装置５に支持されたＵチューブ２は、錘体昇降装置７に吊り下げられている錘体４とともに高比重・高粘性流体１３内に挿入される。すなわち、支持装置５の上部に錘体４が当接して一体になった状態で高比重・高粘性流体１３内に挿入される。錘体昇降装置７の作動によりワイヤ６、錘体４を下方側に移動させると、ワイヤ６は緩んだ状態になって、錘体４は自重で降下する。このとき前述したように、Ｕチューブ２は複数セットの状態で、中間部がリング体８に、下部は支持装置５に連結しているので安定的な姿勢を維持して錘体４に当接し高比重・高粘性流体１３内に降下する。又、これに伴い支持装置５の下部に設けられた制止部材１２は、歯形部材１２ａがバネ部材１２ｂの弾性力に抗して、杭体３の内壁３ａ側に接触しながら下方へ移動する。

図５（ｂ）は、錘体昇降装置７を下方に更に作動させて錘体４、支持部材５及びＵチューブ２を錘体４の自重で降下させ、Ｕチューブ２を杭体３の所定の深さ位置に到達させた状態を示している。歯形部材１２ａはバネ部材１２ｂのバネ力で杭体３の内壁３ａに押圧された状態を維持している。このとき錘体４は上下動可能であるが、Ｕチューブ２は支持装置５の歯形部材１２ａが杭体３の内壁３ａに押圧された状態を維持しているので、高比重・高粘性流体１３より浮力を受けても上昇することなく高比重・高粘性流体１３内に留まることになる。

続いて図５（ｃ）に示すように、錘体昇降装置７を上方に作動させワイヤ６を巻き上げると、ワイヤ６が錘体４を吊り上げる状態となり、錘体４がＵチューブ２及び支持装置５から離間する。更に錘体昇降装置７を上方に作動させると、錘体昇降装置７により錘体４が吊り上げられ地上に回収される。
錘体４が切り離されても、前述のとおりＵチューブ２は制止部材１２の歯形部材１２ａの押圧動作で高比重・高粘性流体１３内に留まっている。各々のＵチューブ２はリング体８により保持されている。錘体４が切り離されると、図３に示したように、高比重・高粘性流体１３からの受ける浮力によりＵチューブ２等に浮き上がり力が生じ、支持装置５への上向きの力がバネ部材１２ｂを介して分力となり、歯形部材１２ａを杭体３の内壁３ａに押し付ける力が発生する。このため浮き上がり力が生じてもＵチューブ２は浮き上がることなく杭体３に設置される。

図５（ｄ）は錘体４が地上に回収された後の状態を示した図である。Ｕチューブ２は高比重・高粘性流体１３に埋設され、制止部材１２で制止、固定された状態である。時間経過とともに高比重・高粘性流体１３は固化するので、杭体３の中にＵチューブ２が内蔵された構成の杭体３ができることになる。

本発明は、基本的に以上説明した実施の形態のように簡素なＵチューブの設置工法とその設置装置としている。すなわち、Ｕチューブを設置するに際し、錘体４の自重を利用してＵチューブ２を、杭体３に充填されている高比重・高粘性流体１３内に降下させている。又、支持装置５、Ｕチューブ２が高比重・高粘性流体１３から受ける浮力を利用して、Ｕチューブ２を支持している支持装置５に設けられた歯形部材１２ａが杭体３の内壁３ａに食い込むように押圧され、Ｕチューブ２が杭体３に固定されている

前述したように、高比重・高粘性流体１３内に、Ｕチューブ２の先端に浮力以上の重量の錘体４を設けて降下させ設置することは、Ｕチューブに大きな引っ張り力が作用する等の関係で困難であった。本実施の形態では、Ｕチューブ２とは離間可能な錘体４を当接させて錘体４の自重で降下させる工法とした。この結果、錘体４の重量を大きくできる上、杭体３に高比重・高粘性流体１３が充填されていても、充分安全に降下することができる。又、所定深さに到達後、錘体４を引き上げることで、高比重・高粘性流体１３から受ける浮力により制止部材１２が杭体３の内壁３ａに食い込むように押圧され、Ｕチューブ２を所定の位置に設置できるようにした。

従って、本発明は簡素な構成で確実な地中熱利用システム１におけるＵチューブ２の設置工法とその設置装置となっている。錘体４の重量設定は、Ｕチューブ２の設置深さ、本数、高比重・高粘性流体１３の高比重・高粘性の状態をみて浮力を想定し決定することになる。このような設置工法及び設置装置により、錘体４の重量は従来に比し重くすることができる。

図４に従って、支持装置５の円筒体１０を杭体３に制止、固定させる制止部材の変形例について説明を行う。なお、この変形例の説明では、前述した実施の形態と同一の部位には同一の符号を付与し、詳細な説明を省略している。図４は杭体３の内壁３ａに設けた被係止部材１４に制止部材２２を係止させて固定している状態を示した部分断面図である。
杭体３は長い場合であると、短い杭体を連結して構成されるが、この制止部材の変形例では連結部に被係止部材１４が設けられている。この場合、被係止部材１４には、内壁３ａより突出している係止凸部が設けられている。制止部材２２は、図４に示したような所定の形状に変形可能なバネ部材であり、制止部材２２の一端（下端）２２ａが円筒体１０に固定されている。制止部材２２の他端が係止部２２ｂであり、係止部２２ｂは、制止部材２２の弾性により一端２２ａを支点にして他端側が弾性変形が可能になっている。従って、支持装置５が降下する場合、制止部材２２の他端が弾性変形して２点鎖線で示す制止部材２２’のように弾性変形する。このとき、係止部２２ｂは、被係止部材１４を乗り越えて降下することができる。

そして、制止部材２２の係止部２２ｂが被係止部材１４の下方に移動した後、支持装置５、Ｕチューブ２等が高比重・高粘性流体１３の浮力により上昇しようとすると、制止部材２２の係止部２２ｂが被係止部材１４の係止凸部の端部１４ａに係止し、支持装置５、Ｕチューブ２等を制止、固定することができる。この固定状態になると、Ｕチューブ２等が地上側に上昇することが規制される。又、被係止部材１４には、上部側に案内テーパ部１４ｂが形成されているので、支持装置５、Ｕチューブ２等が錘体４の自重により降下するとき、制止部材２２の係止部２２ｂは被係止部材１４を容易に乗り越えることができる。このような構成にすることにより、Ｕチューブ２が上昇することを強固に防止できる。被係止部材１４は、杭体間に挟んだり、杭体に溶接やねじ機構等で取り付けられる。

このようにすることで、確実にＵチューブ２を所定位置に設置することができる。どのような形態であっても本発明の技術は適用可能である。以上説明したように、本発明の要旨はこの実施の形態に限定されないことはいうまでもない。次にＵチューブ（地中熱交換器）の設置に関わる事例として他の実施の形態を説明する。

（他の実施の形態１）
この他の実施の形態１は、図６、７に示すように杭体３０の外側にＵチューブ２を設置する場合の形態例である。錘体３１及びＵチューブ２は杭体３０の外側の壁面に沿って配置されることになる。Ｕチューブ２は杭体３０の外側に複数個設置可能である。
図６、７に示すように錘体３１は杭体３０の外側に配置され、その下部にフリーの状態で先端金具３２が設けられている。先端金具３２の上面３２ｂが、錘体３１の当接端面３１ｂに当接するとともに、先端金具３２の穴部３２ａに、錘体３１の軸部３１ａが嵌り込み挿入時の相互のぶれを防止している。Ｕチューブ２を高比重・高粘性流体１３内に降下させる場合は、前述同様にこの他の形態１においても錘体３１の当接端面３１ｂを先端金具３２の上面３２ｂに当接させて、錘体３１の自重で降下させる。

Ｕチューブ２は、先端部２ａが、先端金具３２に連結体３３を介して連結されている支持部材３４を介して支持されている。連結体３３は、杭体３０の外側に形成されているものであって、先端金具３２に固定されている。連結体３３には任意の位置に支持部材３４が固定されている。Ｕチューブ２は先端部２ａが支持部材３４に針金等の結合部材３４ａを介して結合されている。Ｕチューブ２の中間部は図示しない連結部材により保持されている構成となっている。この連結部材は、前述のリング体８と同様に簡易な構成のものである。先端金具３２は、高比重・高粘性流体１３内への降下が容易なように円筒状になっている。この他の形態１では、先端金具３２、連結体３３、支持部材３４等が支持装置を構成している。又、支持部材３４には、杭孔の孔壁３８に当接するための制止部材３５が取り付けられている。制止部材３５はバネ板からなる部材であり、孔壁３８に沿わせてＵチューブ２を導くためのものである。制止部材３５の一端３５ａは支持部材３４に固定され、他端３５ｂが孔壁３８と接するように設けられている。制止部材３５は、Ｕチューブ２を降下させるとき他端３５ｂが孔壁３８と接して安定化を図ることができる。又、制止部材３５は高比重・高粘性流体１３より浮力を受けた場合、浮力により他端３５ｂが孔壁３８側に食い込むように押し付けられる作用をし、孔壁３８に他端３５ｂが係止されて、前述した制止部材と同様の作用を行う。

この他の形態１では、Ｕチューブ２が連結体３３を介して複数個（例えば、４個）連結され、一つの錘体３１の自重により一緒に設置できるようにしている。この他の形態１を適用することにより、高比重・高粘性流体１３が充填されている杭体３０の外側と孔壁３８との間の部分に複数個のＵチューブ２を容易に設置することができる。

（他の実施の形態２）
図８、９に基づいて、他の実施の形態２の説明を行う。この他の形態２は、一つのＵチューブ２を配置する場合に適した形態例である。
図８に示すように、Ｕチューブ２は、先端部２ａを取り付ける支持装置（支持部材）の機能を兼ねる先端金具４２に固定部材４２ａにより固定されている。Ｕチューブ２の中間部は、針金、テープ、結束バンド等中間固定部材４４を巻き付けたり、テーピングしたりすることで、先端金具４２に固定されている。先端金具４２の先端部４３は、側面視下側が尖った三角形状に形成され、高比重・高粘性流体１３に挿入し易くなっている。なお、先端金具の先端部は、フォーク状、槍状、パイプ状等他の形状のものであってもよい。この先端金具４２に浮力防止機能を付与する場合には、例えば先端部を矢じり状にし、高比重・高粘性流体１３の下方の地盤に矢じり状の先端部を突き刺して固定する方法をとるとよい。

先端金具４２の上部には錘体４１が設けられており、錘体４１の自重で先端金具４２及びＵチューブ２を、高比重・高粘性流体１３に挿入する構成は前述のものと同様である。すなわち、錘体４１の凹部の凹部面４１ａが先端金具４２の上面４２ｂに当接することで自重を付与している。錘体４１と先端金具４２とが凹凸形状で嵌め込まれているため、細い先端金具でも、確実に自重を付与することができる。先端金具４２には、孔壁４８に制止するための制止部材４５が取り付けられている。制止部材４５はバネ板からなる部材であり、杭孔の孔壁４８に沿わせてＵチューブ２を導くためのものである。Ｕチューブ２を降下させるとき安定化を図ることができる。又、制止部材４５は一端４５ａが先端金具４２に固定され、他端４５ｂが孔壁４８に接するものであり、高比重・高粘性流体１３より浮力を受けた場合、前述した他の実施の形態１の制止部材と同様の作用を行う。言い換えると、制止部材４５は高比重・高粘性流体１３より浮力を受けた場合、浮力により他端４５ｂが孔壁４８側に食い込むように押し付けられる作用をし、孔壁４８に他端４５ｂが係止されて、前述した制止部材と同様の作用を行う。
更に、図９は、他の実施の形態２の変形例を示す図である。図９に示すように、錘体と先端金具とは、上部に凹部１４２ａが設けられた先端金具１４２と、この先端金具１４２の凹部１４２ａに挿入される凸部１４１ｂが形成された錘体１４１とからなるものであってもよい。この他の形態２の変形例では、先端金具１４２の上面１４２ｂと錘体１４１の端部１４１ａとが当接し、錘体１４１の自重が先端金具１４２に付与される。

（他の実施の形態３）
図１０、１１に基づいて、他の実施の形態３の説明を行う。
この他の実施の形態３は、錘体の変形例で、図１０、１１にその構成を示す。ＳＭＷ（ソイルミキシングウォール）の芯材であるＨ形鋼５０の溝空間５０ｃ内に、Ｈ形鋼５０に沿ってＵチューブ２を設置する場合に適用した例である。図１０に示すようにＵチューブ２を設置する対象は円形状の杭体３と異なり、Ｈ形鋼５０の平坦な壁に沿って設置する構成である。このＨ形鋼５０の溝空間５０ｃ内に設置する形態は、前述した他の実施の形態１の円筒状の連結体、支持部材等の構成を平面状に引き延ばした構成のものである。

この他の形態３では、Ｈ形鋼５０が前述した形態の杭体に相当する。磁石製のガイドリング５２を４個配置し、錘体５１を常にＨ形鋼５０のウェブ面５０ａに沿って引き寄せ配置するようにした構成である。ガイドリング５２は、錘体５１に回転可能に設けられた回転軸５３に固定されている。磁石製のガイドリング５２にしたことで、錘体５１はＨ形鋼５０のウェブ面５０ａに案内され、ウェブ面５０ａに沿ってスムースに昇降動作できるようにした。
Ｕチューブ２は、Ｈ形鋼５０のフランジ５０ｂ間の溝空間５０ｃ内に錘体５１の両側に配置している。錘体５１の下部には支持装置の円筒体５６が設けられ、円筒体５６に固定された連結体５７にＵチューブ２の先端部が固定されている。この他の形態３では、支持装置が円筒体５６、連結体５７等から構成されている。Ｕチューブ２の姿勢を維持するため中間部に複数の中間支持部材５５が設けられていてもよい。すなわち、Ｕチューブ２は、中間部が、中間支持部材５５に結束バンド、針金等の結紮部材５８を介して結紮されていてもよい。円筒体５６は、前述した円筒体１０に相当するものであり、中間支持部材５５は、前述したリング体８に相当するものである。支持装置の連結体５７、複数の中間支持部材５５に取り付けられたＵチューブ２は、ウェブ面５０ａに沿って降下できるようになっている。なお、支持装置は、図８に示すような他の実施の形態２の構成のようなもの（例えば、円筒体が図８に示す三角状の先端部を有する先端金具状になっているもの、円筒体の下部に三角形状等の先端部が形成されたもの等）であってもよい。

この他の形態３の設置工法は、錘体５１の自重で支持部材５６、Ｕチューブ２等が降下する前述した形態と同様であるので詳細な説明は省略する。図１０ではＵチューブ２の配置はＨ形鋼５０のウェブの片面側のみとしているが、反対側にも同様の配置が出来ることはいうまでもない。この他の形態３を適用することにより、ＳＭＷ工法において心材として設置されるＨ形鋼５０のウェブの近傍に任意の数のＵチューブ２を設置することができる。例えば、大きいＨ形鋼の場合には、３〜４本のＵチューブを設置することができる。

以上、本発明の実施の形態について説明を行ったが、本発明はこの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の目的、趣旨を逸脱しない範囲内での変更が可能なことはいうまでもない。例えば、地中熱利用システム１は、ヒートポンプを循環する熱媒体が、直接、負荷側熱交換部と熱交換を行う直膨式のヒートポンプであってもよい。

１…地中熱利用システム
２…地中熱交換器（Ｕチューブ）
３、３０…杭体
４、３１、４１、５１、１４１…錘体
５…支持装置
６…ワイヤ
７…錘体昇降装置
８…リング体
１２、２２、３５、４５…制止部材
１３…高比重・高粘性流体
３８、４８…孔壁

Claims (5)

1. 掘削された杭孔内に設けられた杭体の内側又は外側に、地中熱利用システムにおける地中熱交換器を挿入し所定の深さ位置に設置する工法であって、
   錘体昇降装置により昇降動作可能な錘体を、前記地中熱交換器を支持している支持装置又は支持部材に当接させて、前記杭体の内側又は外側に充填された高比重・高粘性流体内に、前記地中熱交換器及び前記錘体を前記錘体の自重で降下させる工程と、
   前記地中熱交換器を前記高比重・高粘性流体内の所定の深さ位置に降下させた後、前記高比重・高粘性流体から受ける浮力により前記地中熱交換器が浮上することを制止して前記地中熱交換器を前記杭体又は前記杭孔に固定する工程と、
   前記地中熱交換器を前記高比重・高粘性流体内に固定した状態で、前記錘体のみを地上に引き上げる工程とからなり、
   前記地中熱交換器を固定する工程は、前記支持装置又は前記支持部材に設けた制止部材を前記杭体又は前記杭孔の孔壁に制止させ、前記地中熱交換器を前記杭体又は前記杭孔に固定する工程であり、
   前記制止部材は、一端が前記支持装置又は前記支持部材に固定され、他端に歯形部材を有する弾性変形可能な部材であり、
   前記地中熱交換器を固定する工程は、前記制止部材を前記浮力により前記杭体側に付勢し、前記歯形部材が前記杭体の壁面を押圧することで制止し、固定する工程である
   ことを特徴とする地中熱交換器の設置工法。
2. 掘削された杭孔内に設けられた杭体の内側又は外側に、地中熱利用システムにおける地中熱交換器を挿入し所定の深さ位置に設置する工法であって、
   錘体昇降装置により昇降動作可能な錘体を、前記地中熱交換器を支持している支持装置又は支持部材に当接させて、前記杭体の内側又は外側に充填された高比重・高粘性流体内に、前記地中熱交換器及び前記錘体を前記錘体の自重で降下させる工程と、
   前記地中熱交換器を前記高比重・高粘性流体内の所定の深さ位置に降下させた後、前記高比重・高粘性流体から受ける浮力により前記地中熱交換器が浮上することを制止して前記地中熱交換器を前記杭体又は前記杭孔に固定する工程と、
   前記地中熱交換器を前記高比重・高粘性流体内に固定した状態で、前記錘体のみを地上に引き上げる工程とからなり、
   前記地中熱交換器を固定する工程は、前記支持装置又は前記支持部材に設けた制止部材を前記杭体又は前記杭孔の孔壁に制止させ、前記地中熱交換器を前記杭体又は前記杭孔に固定する工程であり、
   前記制止部材は、一端が前記支持装置又は前記支持部材に固定され、他端に係止部を有する弾性変形可能な部材であり、
   前記地中熱交換器を固定する工程は、前記制止部材を前記浮力により前記杭体又は前記杭孔側に付勢し、前記係止部を前記杭体の結合部に設けられた被係止部又は前記杭孔の前記孔壁に係止させて、前記地中熱交換器を前記杭体又は前記杭孔に固定する工程である
   ことを特徴とする地中熱交換器の設置工法。
3. 掘削された杭孔内に設けられた杭体の内側又は外側に、地中熱利用システムにおける地中熱交換器を挿入し所定の深さ位置に設置する工法であって、
   錘体昇降装置により昇降動作可能な錘体を、前記地中熱交換器を支持している支持装置又は支持部材に当接させて、前記杭体の内側又は外側に充填された高比重・高粘性流体内に、前記地中熱交換器及び前記錘体を前記錘体の自重で降下させる工程と、
   前記地中熱交換器を前記高比重・高粘性流体内の所定の深さ位置に降下させた後、前記高比重・高粘性流体から受ける浮力により前記地中熱交換器が浮上することを制止して前記地中熱交換器を前記杭体又は前記杭孔に固定する工程と、
   前記地中熱交換器を前記高比重・高粘性流体内に固定した状態で、前記錘体のみを地上に引き上げる工程とからなり、
   前記錘体は、磁石製のガイドリングを介して昇降動作可能なものである
   ことを特徴とする地中熱交換器の設置工法。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の地中熱交換器の設置工法において、
   前記高比重・高粘性流体は、高比重・高粘性のソイルセメント、コンクリート、高粘性掘削安定流体、ベンナイトから選択される１種、又は、これらの混合物の流体である
   ことを特徴とする地中熱交換器の設置工法。
5. 掘削された杭孔内に設けられた杭体の内側又は外側に、地中熱利用システムにおける地中熱交換器を挿入し所定の深さ位置に設置する地中熱交換器の設置装置であって、
   前記地中熱交換器の先端部を支持している支持装置と、
   前記支持装置の上部に当接して自重を付与し、前記自重により前記支持装置に支持された前記地中熱交換器を、前記杭体の内側又は外側に充填された高比重・高粘性流体内の所定の深さ位置に降下させるための錘体と、
   前記錘体を昇降動作させる錘体昇降装置と、
   一端が前記支持装置に固定され、他端に歯形部材又は係止部を有する弾性変形可能な部材であって、前記地中熱交換器が前記高比重・高粘性流体から浮力を受け上昇しようとするとき前記浮力の作用により弾性変形して、前記歯形部材が前記杭体に押圧、又は、前記係止部が前記杭体に設けられた被係止部又は前記杭孔の孔壁に係止され、前記地中熱交換器が前記浮力により上昇することを制止するための制止部材とからなり、
   前記錘体は、前記地中熱交換器を前記制止部材の作用により前記高比重・高粘性流体内に固定させた後、前記錘体昇降装置の作用により地上に引き上げられるものである
   ことを特徴とする地中熱交換器の設置装置。

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