JP6236254B2 - 地中熱交換器及びこれを用いた空調システム - Google Patents

Description

本発明は、地中熱交換器及びこれを用いた空調システムに関し、詳しくは、簡単な構成であるにもかかわらず、地上の空気と地中との熱交換を効率よく行うことが可能な地中熱交換器及びこれを用いた空調システムに関する。

従来より、地中熱を有効活用する技術は、多数存在する。例えば、特開２００１−４２３２号公報（特許文献１）には、土壌に埋設した有底外管に環状の隙間を有して開底内管を挿入した構造の二重管と、この二重管で熱媒体を循環させる循環系とを備えた熱交換器によって、土壌からの採熱または土壌への放熱を行うように構成した循環型地熱利用装置が開示されている。この循環型地熱利用装置では、前記開底内管の少なくとも一部に前記有底外管の垂直管軸方向に蛇行する屈曲部が設けられていることを特徴とする。これにより、環状の隙間を流れる不凍液（熱媒体）の流速を変化させ、この流速変化によって不凍液の流れに乱れを生じさせることが出来て、有底外管の管壁内面での熱伝達率を高めて、熱交換性能を向上させ、大きい採熱または放熱（蓄熱）を行うことが出来る。その結果、冬季において土壌からの採熱により、例えば、道路融雪設備や空調設備或いは給湯設備などに適用し、夏期においては外気熱を土壌に放熱（蓄熱）して冬季に採熱して利用することが出来るとしている。

又、特開２００１−１１６２９３号公報（特許文献２）には、建物の床下に形成された約４０ｃｍ以上の高さを有する床下空間内に多数のくり石が充填されて成り、地中からの地熱を蓄積しておき、戸外からの空気を取り込んで、この取り込んだ空気を自らに蓄積した地熱と熱交換すると共に前記空気を調湿及び清浄化するためのくり石層と、地中に埋設されており、前記くり石層からの空気を取り込んで、この取り込んだ空気を地熱と熱交換するための地中パイプとを備えた、地熱及び循環水流を利用した空調システムが開示されている。この空調システムでは、更に、夏季においては、前記地中パイプの途中の位置に備えられたノズルから水を微小な水滴から成るシャワー状又は霧状に変換して前記地中パイプの底部に向けて落下させると共に前記底部に溜まった水を回収して前記ノズルに循環させ、且つ、冬季においては、戸外に設置されたソーラーパネルからの太陽熱で暖められた水を前記地中パイプの底部に供給すると共に前記底部に溜まった水を回収して前記ソーラーパネルに循環させる循環手段と、前記地中パイプからの空気を建物内部に供給するための空気供給手段と、を備えたことを特徴とする。又、前記地中パイプは、例えば、内側パイプと外側パイプの二重構造で、外側パイプの内壁面に、金属又はプラスチックの多数のフィンが形成されている。これにより、地中パイプによる地熱との熱交換、くり石層による地中熱との熱交換を一緒に行うことで、従来と比較して極めて高効率に地熱交換を行うことが出来るとしている。又、夏季では、水の噴水シャワー（シャワー状又は霧状の微小な水滴群）の気化熱により循環される空気の温度を大きく冷やし、冬季では、温水の噴水シャワーにより空気の温度を大きく暖めて、空気の温度調整効果を大幅に高めることが出来るとしている。又、前記噴水シャワーでは、空気中の不純物を付着させることで空気の清浄化を図ることが出来るとしている。

又、特開２００５−３３６８１５号公報（特許文献３）には、下端部に螺旋状羽根からなる回転羽根が取り付けられた中空管体に回転力を付加して地中に回転貫入し、埋設された前記中空管体の内部空間を融雪室として利用して構築したことを特徴とする地下融雪槽が開示されている。この中空管体には、掘削用回転羽根を上方に延長してなる小径螺旋型フィン等が設けられ、上端部を除くほぼ全長にわたってフィンが設けられる。これにより、著しく短い工程で安価に設置出来て、泥水や廃土処理も不要で、地下融雪槽の設置にかかる建設コストを大幅に抑制出来て、地中熱交換も効果的に可能となるとしている。

又、特開２００６−２００８４８号公報（特許文献４）には、熱媒がＵターンして流れる熱媒管部を備え、この熱媒管部を、複数本の上流側の伝熱管を下流側の１本の戻り管に連通連結して構成すると共に、複数本の前記伝熱管の孔断面積の合計よりも１本の前記戻り管の孔断面積を小さく設定したことを特徴とする地中熱交換用パイプが開示されている。この伝熱管の外周と内周の一方又は両方に、管部軸方向に連なる突起状部又は溝状部を管部周方向に所定ピッチで複数形成して成る凹凸部が設けられる。これにより、熱交換効率が良く、設備コストや運転コストを節減出来るとしている。

又、特開２００８−２５６３２９号公報（特許文献５）には、地中の物質と熱媒体との間で熱交換を行わせるために前記熱媒体の流路としての配管を前記地中に埋設した地中熱交換器であって、前記配管が樹脂よりも熱伝導率の高い物質を含有する高熱伝導性樹脂を含むことを特徴とする地中熱交換器が開示されている。この配管には、該配管の外表面に前記高熱伝導樹脂からなるフィンが一体成形されており、前記フィンの形状がキャタピラ形、らせん形、又は、せん毛形のいずれかの形状に形成されている。これにより、配管の熱伝導率を高め、配管中を循環する熱媒体の配管周辺の物質（例えば、土壌、モルタルなど）に対する採放熱効率を高めることが出来るとしている。

特開２００１−４２３２号公報 特開２００１−１１６２９３号公報 特開２００５−３３６８１５号公報 特開２００６−２００８４８号公報 特開２００８−２５６３２９号公報

しかしながら、上述した特許文献１、２に記載の発明では、管内の空気の流れが当該管内の屈曲部又はフィンにより妨げられるため、空気を送り出すための送風装置が大型化するという問題がある。又、上述した特許文献３−５に記載の発明では、管外に設けたフィン又は凹凸部の熱交換に限界があるため、地中熱の交換効率の向上を更に図れないという問題がある。

そこで、本発明は、前記問題を解決するためになされたものであり、簡単な構成であるにもかかわらず、地上の空気と地中との熱交換を効率よく行うことが可能な地中熱交換器及びこれを用いた空調システムを提供することを目的とする。

本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、本発明に係る新規な地中熱交換器及びこれを用いた空調システムを完成させた。

即ち、本発明に係る地中熱交換器は、地中に埋め込まれることで、内部に送り込まれた空気の熱と地中熱とを交換させる二重管構造の地中熱交換器であって、以下の構成を採用する。

前記地中熱交換器は、長手方向を地上の重力方向に沿った状態で地中に配置される円筒形の内空管と、前記内空管の外径よりも大きい内径を有し、前記内空管を内部に挿通して積み重ねられた複数の単位外空管からなる外空管と、各単位外空管の間に設けられ、前記内空管の外周面から前記単位外空管の外周面までを覆い、当該単位外空管の外周面から外側の地中に接触した金属製の通気性板と、前記内空管の下端部と前記外空管の下端部とを連通する連通管とを備え、前記内空管又は前記外空管のいずれか一方の管の上端部から地上の空気を送り込み、前記空気を前記連通管の内部を介して他方の管の下端部から上端部へ通過させることで、当該空気の熱と前記通気性板の熱とを交換させ、前記通気性板は、長手方向の寸法が前記内空管の外周面から前記単位外空管の外周面までの寸法よりも長い寸法の短冊状の通気性素材を前記内空管の外周面から相互に重ねて敷き詰めた構成とすることを特徴とする。

又、前記通気性素材は、金属製の線材を交差させてダイヤモンド型の編目を有するエキスパンドメタルである。

前記地中熱交換器は、長手方向を地上の重力方向に沿った状態で地中に配置される円筒形の内空管と、前記内空管の外径よりも大きい内径を有し、前記内空管を内部に挿通して積み重ねられた複数の単位外空管からなる外空管と、各単位外空管の間に設けられ、前記内空管の外周面から前記単位外空管の外周面までを覆い、当該単位外空管の外周面から外側の地中に接触した金属製の通気性板と、前記内空管の下端部と前記外空管の下端部とを連通する連通管とを備え、前記内空管又は前記外空管のいずれか一方の管の上端部から地上の空気を送り込み、前記空気を前記連通管の内部を介して他方の管の下端部から上端部へ通過させることで、当該空気の熱と前記通気性板の熱とを交換させ、前記単位外空管の下端部に、下向きに凸状の嵌合部を設け、前記単位外空管の上端部に、上向きに凹状の嵌合部を設け、各単位外空管を上下方向に積み重ねた場合に、上方の単位外空管の下端部の嵌合部が、下方の単位外空管の上端部の嵌合部に嵌合する。

又、前記単位外空管の上端部の嵌合部にシール材を設ける。

又、本発明は、地中に埋め込まれることで、内部に送り込まれた空気の熱と地中熱とを交換させる二重管構造の地中熱交換器を備えた建物内部の空調システムとして提供することが出来る。

前記空調システムでは、前記地中熱交換器は、長手方向を地上の重力方向に沿った状態で地中に配置される円筒形の内空管と、前記内空管の外径よりも大きい内径を有し、前記内空管を内部に挿通して積み重ねられた複数の単位外空管からなる外空管と、各単位外空管の間に設けられ、前記内空管の外周面から前記単位外空管の外周面までを覆い、当該単位外空管の外周面から外側の地中に接触した金属製の通気性板と、前記内空管の下端部と前記外空管の下端部とを連通する連通管とを備え、本空調システムは、前記内空管又は前記外空管のいずれか一方の管の上端部から前記建物内部の空気を送り込み、前記空気を前記連通管の内部を介して他方の管の下端部から上端部へ通過させる送風手段を備え、前記建物内部の空気の熱と前記通気性板の熱とを交換させ、前記通気性板は、長手方向の寸法が前記内空管の外周面から前記単位外空管の外周面までの寸法よりも長い寸法の短冊状の通気性素材を前記内空管の外周面から相互に重ねて敷き詰めた構成とすることを特徴とする。

前記空調システムでは、前記地中熱交換器は、長手方向を地上の重力方向に沿った状態で地中に配置される円筒形の内空管と、前記内空管の外径よりも大きい内径を有し、前記内空管を内部に挿通して積み重ねられた複数の単位外空管からなる外空管と、各単位外空管の間に設けられ、前記内空管の外周面から前記単位外空管の外周面までを覆い、当該単位外空管の外周面から外側の地中に接触した金属製の通気性板と、前記内空管の下端部と前記外空管の下端部とを連通する連通管とを備え、本空調システムは、前記内空管又は前記外空管のいずれか一方の管の上端部から前記建物内部の空気を送り込み、前記空気を前記連通管の内部を介して他方の管の下端部から上端部へ通過させる送風手段を備え、前記建物内部の空気の熱と前記通気性板の熱とを交換させ、前記単位外空管の下端部に、下向きに凸状の嵌合部を設け、前記単位外空管の上端部に、上向きに凹状の嵌合部を設け、各単位外空管を上下方向に積み重ねた場合に、上方の単位外空管の下端部の嵌合部が、下方の単位外空管の上端部の嵌合部に嵌合することを特徴とする。

本発明に係る地中熱交換器及びこれを用いた空調システムによれば、簡単な構成であるにもかかわらず、地上の空気と地中との熱交換を効率よく行うことが可能となる。

本発明に係る地中熱交換器を地中に埋め込んだ状態の正面断面図（図１Ａ）と、本発明に係る地中熱交換器のＡ−Ａ線端面図（図１Ｂ）とである。 本発明に係る地中熱交換器を地中に埋め込んだ状態の正面断面図である。 本発明に係る地中熱交換器の単位外空管の上面に短冊状の通気性板を配置した状態の平面図（図３Ａ）と、本発明に係る地中熱交換器の通気性板の拡大平面図（図３Ｂ）とである。 本発明に係る地中熱交換器の外空管の内側斜視図（図４Ａ）と、本発明に係る地中熱交換器の通気性素材を設置した状態の斜視図（図４Ｂ）と、本発明に係る地中熱交換器の地上に設置された外空管の外側斜視図（図４Ｃ）とである。 本発明に係る地中熱交換器の単位外空管を積み重ねる際の正面断面図（図５Ａ）と、本発明に係る地中熱交換器の単位外空管の上下端部の拡大正面図（図５Ｂ）とである。 本発明に係る空調システムの正面断面図である。

以下に、添付図面を参照して、本発明に係る地中熱交換器及びこれを用いた空調システムの実施形態について説明し、本発明の理解に供する。尚、以下の実施形態は、本発明を具体化した一例であって、本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。

＜地中熱交換器＞
図１Ａは、本発明に係る地中熱交換器を地中に埋め込んだ状態の正面断面図であり、図１Ｂは、本発明に係る地中熱交換器のＡ−Ａ線端面図である。図２は、本発明に係る地中熱交換器を地中に埋め込んだ状態の正面断面図である。

本発明に係る地中熱交換器は、図１Ａ、図１Ｂ、図２に示すように、地中に埋め込まれることで、内部に送り込まれた空気の熱と地中熱とを交換させる二重管構造の地中熱交換器１であって、長手方向を地上の重力方向に沿った状態で地中に配置される円筒形の内空管１０と、前記内空管１０の外径Ｒ１よりも大きい内径Ｒ２を有し、前記内空管１０を内部に挿通して積み重ねられた複数の単位外空管１１ａからなる外空管１１と、各単位外空管１１ａの間に設けられ、前記内空管１０の外周面１０ａから前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂまでを覆い、当該単位外空管１１ａの外周面１１ｂから外側の地中に接触した金属製の通気性板１２と、前記内空管１０の下端部１０ｂと前記外空管１１の下端部１１ｃとを連通する連通管１３とを備える。

更に、前記内空管１０又は前記外空管１１のいずれか一方の管の上端部から地上の空気を送り込み、前記空気を前記連通管１３の内部を介して他方の管の下端部から上端部へ通過させることで、当該空気の熱と前記通気性板１２の熱とを交換させることを特徴とする。

これにより、簡単な構成であるにもかかわらず、地上の空気と地中との熱交換を効率よく行うことが可能となる。

即ち、本発明に係る地中熱交換器１を地中に設置して、一方の管（例えば、内空管１０）の上端部から地上の空気を送り込むと、送り込んだ空気が、下方の連通管１３を介して他方の管（例えば、外空管１１）の下端部から上端部へ上昇する。この際、空気は、各単位外空管１１の間に設けられている通気性板１２に物理的に接触するが、この通気性板１２は、外側で地中と物理的に接触している。そのため、通気性板１２が熱交換媒体となり、この通気性板１２を介して、空気の熱と地中熱とを交換することが可能となる。又、前記通気性板１２は、熱伝導率が高い金属製で構成されているため、上述した空気の熱と地中熱との熱交換効率を顕著に向上させることが可能となる。

又、内空管１０と外空管１１の内部には、熱交換のための邪魔板等を設けておらず、外空管１１の内部には、通気性板１２を設けているだけであるため、空気の流れが妨げられることが無い。そのため、地上の空気を送り込む送風ファン等の送風力は弱いものでもよいので、送風ファン等を小型化することが可能となる。

ここで、地中の温度は、夏季の終りか秋口で約１８度であり、冬季の終りか春先で約１３度であり、年間を通して約十数度の範囲内となる。夏季の終りか秋口であれば、地上の空気の温度は約３０度と高いため、その空気を本発明に係る地中熱交換器１の内空管１０の内部に送り込むと、外空管１１の内部を通過する際に、地上の暖かい空気の温度（約３０度）と地中の冷たい温度（約１８度）との温度差から、当該地上の空気が冷やされて地上へ送出される。これにより、夏季の終りか秋口であれば、地上の暖かい空気を地中熱で効率よく冷やすことが可能となる。

一方、冬季の終りか春先であれば、地上の空気の温度は約数度と低いため、その空気を本発明に係る地中熱交換器１の内空管１０の内部に送り込むと、外空管１１の内部を通過する際に、地上の冷たい空気の温度（約数度）と地中の暖かい空気の温度（約１３度）との温度差から、当該地上の空気が暖められて地上へ送出される。これにより、冬季の終りか春先であれば、地上の冷たい空気を地中熱で効率よく暖めることが可能となる。

従って、本発明に係る地中熱交換器１では、年間を通して地上の空気を効率よく冷やしたり暖めたりすることが可能となるため、地上の空気の温度を調整するためのエアコン等を不要とし、当該エアコンの電力使用量を著しく削減することが可能となる。

図３Ａは、本発明に係る地中熱交換器の単位外空管の上面に短冊状の通気性板を配置した状態の平面図であり、図３Ｂは、本発明に係る地中熱交換器の通気性板の拡大平面図である。図４Ａは、本発明に係る地中熱交換器の外空管の内側斜視図であり、図４Ｂは、本発明に係る地中熱交換器の通気性素材を設置した状態の斜視図であり、図４Ｃは、本発明に係る地中熱交換器の地上に設置された外空管の外側斜視図である。

ここで、前記通気性板１２は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、図３Ａ、図４Ａに示すように、長手方向の寸法が前記内空管１０の外周面１０ａから前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂまでの寸法よりも長い寸法の短冊状の通気性素材１２ａを前記内空管１０の外周面１０ａから相互に重ねて敷き詰めた構成とすると好ましい。これにより、作業者が、携帯容易な複数の通気性素材１２ａを外周面１０ａの上面に相互に重ねて敷き詰めれば良いため、設置が容易となる。

又、前記通気性板１２は、短冊状の通気性素材１２ａを前記内空管１０の外周面１０ａから相互に重ねて敷き詰めた構成とする場合に、例えば、図４Ｂに示すように、前記単位外空管１１ａの内周面から内空管１０の外周面１０ａまでの通気性素材１２ａの部分のうち、当該部分の一の対角線に沿って下方に折り曲げて、他の通気性素材１２ａと重なる略三角形状の部分を下方へ折り曲げるよう構成することが出来る。これにより、前記通気性素材１２ａが相互に接触することを防止し、出来るだけ空気との接触面積を向上させることが可能となる。

又、前記通気性板１２が覆う部分は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はなく、例えば、図３Ａ、図４Ａに示すように、前記内空管１０の外周面１０ａから前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂまでの全部を覆っても一部又は半分を覆っても構わない。

又、前記通気性素材１２ａの長手方向の寸法は、前記内空管１０の外周面１０ａから前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂまでの寸法よりも長い寸法であれば、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、原理的には、前記通気性素材１２ａの長手方向の寸法のうち、前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂから外側の地中への長手方向の寸法に対応する前記通気性素材１２ａの地中との接触面積が大きければ大きい程、空気と地中との熱交換の効率を向上させることが出来る。例えば、図３Ａ、図４Ａに示すように、前記内空管１０の外周面１０ａから前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂまでの寸法の１．０倍〜２．０倍の範囲内が好ましい。これにより、用意する通気性素材１２ａが大掛かりになることなく、前記通気性素材１２ａにおける前記単位外空管１１ａの内部での空気との接触面積と、前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂから外側の地中との接触面積とを同等と出来るため、前記通気性素材１２ａによる空気と地中との熱交換の効率化を図ることが出来る。

尚、前記通気性素材１２ａの長手方向の寸法は、前記単位外空管１１ａの内径Ｒ２が１５００ｍｍである場合、例えば、１２００ｍｍとされる。

又、前記通気性素材１２ａの短手方向の寸法は、前記内空管１０の外周面１０ａに沿って配置可能な寸法であれば、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、前記内空管１０の外径Ｒ１が５００ｍｍである場合、外周面１０ａの長さ（外周）が約１５７０ｍｍとなり、例えば、前記通気性素材１２ａの短手方向の寸法は、１５０ｍｍとされる。

又、前記通気性素材１２ａの地中の形態は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、図１Ａ、図２、図４Ｂ、図４Ｃに示すように、前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂから外側の地中に接触する部分を下方に向かって折り曲げる形態が好ましい。これにより、作業者が通気性素材１２ａを単位外空管１１ａの上面に配置して地中の穴へ入れる場合に、この通気性素材１２ａの折り曲がった部分が邪魔にならずに通気性素材１２ａと単位外空管１１ａとを適切に積み重ねることが可能となる。又、前記通気性素材１２ａの地中の形態は、前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂから外側の地中に接触する部分を上方に向かって折り曲げる形態でも良い。尚、前記通気性素材１２ａの地中の形態は、上述の他に、例えば、図３Ａに示すように、地中の穴の大きさに余裕があれば、前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂから外側の地中に接触する部分を水平方向に沿って延出させる形態でも構わない。

又、前記通気性素材１２ａの地中の形態を、前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂから外側の地中に接触する部分を下方に向かって折り曲げる形態とする場合に、図４Ｃに示すように、折り曲がった通気性素材１２ａの外周面を介して前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂを締結する締結部材１２ｃ（締結綱）を設けると好ましい。これにより、作業者が前記単位外空管１１ａを積み重ねる際に通気性板１２を一体として積み重ねることが可能となり、作業性を向上させる。

尚、この場合の通気性素材１２ａの長手方向の長さは、前記内空管１０の外周面１０ａから前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂまでの寸法と、当該単位外空管１１ａの長手方向の寸法とを加算した寸法とする。これにより、前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂから外側にはみ出る前記通気性素材１２ａの部分が、図４Ｃに示すように、前記単位外空管１１ａの外周面１１ｂを丁度覆った状態となり、上下の単位外空管１１ａの通気性素材１２ａと干渉することなく、前記単位外空管１１ａを積み重ねることが可能となる。

又、前記通気性素材１２ａの種類は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、図３Ｂに示すように、金属製の線材を交差させてダイヤモンド型の編目１２ｂ（メッシュ）を有するエキスパンドメタルが好ましい。これにより、空気の流れを阻害することなく、空気と接触した際の熱交換を効率よく行うことが可能となる。

又、前記通気性素材１２ａのメッシュ１２ｂの寸法は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、長手方向の寸法ＬＷが１０ｍｍから３０ｍｍの範囲内とされ、短手方向の寸法ＳＷが５ｍｍから２０ｍｍの範囲内とされる。図３Ｂに示すメッシュ１２ｂでは、長手方向の寸法は２０ｍｍとされ、短手方向の寸法は１０ｍｍとされる。

又、前記通気性素材１２ａの厚みは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、１．０ｍｍから４．０ｍｍの範囲内が好ましい。これにより、空気と接触した際の接触面積を出来るだけ大きくして、空気との熱交換を効率よく行うことが可能となる。尚、現実には、前記通気性素材１２ａの厚みは、１．５ｍｍ、２．０ｍｍ、３．０ｍｍが採用される。

又、前記通気性素材１２ａの材質は、金属製であれば、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、銅製、アルミ製が好ましい。これにより、これらの金属は、熱伝導率が高いため、空気との熱交換を効率よく行うことが可能となる。

又、前記通気性板１２の開口率は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、５０％以下であると好ましい。これにより、空気の流れを阻害すること無く、空気との接触により熱交換を効率よく行うことが可能となる。

又、前記通気性素材１２ａの配置枚数は、前記通気性板１２の開口率が５０％以下になる配置枚数であれば、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、前記内空管１０の外径Ｒ１が５００ｍｍであり、前記単位外空管１１ａの内径Ｒ２が１５００ｍｍであり、前記通気性素材１２ａの長手方向の寸法が１２００ｍｍであり、前記通気性素材１２ａの短手方向の寸法が１５０ｍｍであれば、前記通気性素材１２ａの配置枚数は２０枚から５０枚の範囲内となる。

又、前記内空管１０の材質は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、空気の熱と地中熱との交換を促すために、金属製、例えば、ステンレス鋼、アルミ等の耐食性金属とされる。又、前記内空管１０の構成は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はなく、一体物であっても、前記外空管１１のように、複数の同等の円筒管を積み重ねた構成であっても構わない。

又、前記単位外空管１１ａの材質は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、地中との圧力を常時受けることから、力学的な強度があるコンクリート製とされる。

図５Ａは、本発明に係る地中熱交換器の単位外空管を積み重ねる際の正面断面図であり、図５Ｂは、本発明に係る地中熱交換器の単位外空管の上下端部の拡大正面図である。

又、前記単位外空管１１ａの積み重ね形態は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、図５Ａに示すように、作業者が、前記単位外空管１１ａ１の上面に通気性素材１２ａ１を配置し、当該通気性素材１２ａ１の単位外空管１１ａ１の外周面１１ｂ１からはみ出る部分１２ａ１１を下方へ折り曲げ、その状態の単位外空管１１ａ１及び通気性素材１２ａ１を、内空管１０を内部に挿通して、既に下方に配置された単位外空管１１ａ２及び通気性素材１２ａ２の上面に積み重ねる。そして、最後に、複数の単位外空管１１ａ１からなる外空管１１の外周に土を敷き詰める。

ここで、前記単位外空管１１ａの上下方向の端部は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、図５Ｂに示すように、前記単位外空管１１ａの下端部１１ｄに、下向きに凸状の嵌合部１１ｄ１を設け、前記単位外空管１１ａの上端部１１ｅに、上向きに凹状の嵌合部１１ｅ１を設け、各単位外空管１１ａを上下方向に積み重ねた場合に、上方の単位外空管１１ａの下端部１１ｄの嵌合部１１ｄ１が、下方の単位外空管１１ａの上端部１１ｅの嵌合部１１ｅ１に嵌合するよう構成すると好ましい。これにより、前記嵌合部１１ｄ１、１１ｅ１により、特に接合処理等をすること無く、各単位外空管１１ａを固定して積み重ねることが可能となる。

又、前記単位外空管１１ａを通気性素材１２ａ（通気性板１２）を介して積み重ねる場合に、例えば、図５Ｂに示すように、前記単位外空管１１ａの上端部１１ｅの嵌合部１１ｅ１にシール材１４を設けると好ましい。これにより、上方の単位外空管１１ａを下方の単位外空管１１ａに積み重ねた際に、前記シール材１４が押し潰されて、前記通気性素材１２ａを介して上方の単位外空管１１ａの下端部１１ｄと下方の単位外空管１１ａの上端部１１ｅとをシールすることが可能となる。

ここで、前記シール材１４の量は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、図５Ｂに示すように、上方の単位外空管１１ａにより押し潰された際に、上方の単位外空管１１ａの下端部１１ｄと下方の単位外空管１１ａの上端部１１ｅとの間に敷き詰められる程度の量であると好ましい。

又、前記単位外空管１１ａの長手方向の寸法は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、５００ｍｍから７００ｍｍの範囲内であると好ましい。これにより、作業者が、単位外空管１１ａを積み重ね易くなる。尚、図５Ａ、図５Ｂに示す単位外空管１１ａの長手方向の寸法は、６００ｍｍとされる。

又、本発明に係る地中熱交換器１は、外空管１１の径方向の断面積（内容積）が、内空管１０の径方向の断面積（内容積）よりも大きく構成されると好ましい。これにより、前記内空管１０の内部に送り込まれた地上の空気が、前記連通管１３で折り返して外空管１１の内部を通過する場合に、連続の法則、ベルヌーイの定理から、前記外空管１１の内部を流れる空気の速度は、前記内空管１０の内部を流れる空気の速度よりも自動的に遅くなる。そのため、熱交換媒体の通気性板１２と空気との接触時間を長くすることが可能となり、地中熱交換の効率を更に向上させることが可能となる。尚、外空管１１の径方向の断面積が、内空管１０の径方向の断面積の２．０倍〜４．０倍又は１０．０倍の範囲内であると好ましい。

又、図２に示す本発明に係る地中熱交換器１の長手方向の長さＬは、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、長手方向の長さが３０ｍ以上であると好ましく、４０ｍ以上であると更に好ましい。通常、地上から重力方向に向かって５ｍ未満の地中では、地上の影響を受けて、年間を通して温度が不安定化するため、地中熱交換器１の長手方向の長さＬが３０ｍ以上であると、地中に埋め込んだ場合に、安定して地中熱を交換することが可能となる。

又、本発明に係る地中熱交換器１では、地上の空気の送り込みを、前記内空管１０又は前記外空管１１のいずれに設定しても構わない。例えば、内空管１０の内部に地上の空気を送り込む場合は、図２に示すように、前記内空管１０の上端部１０ｃと接合させて内部を連通させた吸気配管１５と、この吸気配管１５を介して地上の空気を内部に送り込む吸気ファン１６とを備える構成が挙げられる。又、この構成では、外空管１１から熱交換された空気を送出するため、前記外空管１１の上端部１１ｆを全て接合させて内部の空気を外部に放出する排気配管１７と、この排気配管１７を介して内部の空気を外部へ排出する排気ファン１８とを備える構成とされる。いずれかを用いても、両方用いても構わない。

又、本発明に係る地中熱交換器１は、前記内空管１０又は前記外空管１１のいずれの上方から水をシャワー状に噴出させる構成とすることが出来る。これにより、水の気化熱で、高温の空気を冷やすとともに、地上の空気中に、微小な塵や埃等の不純物が含まれていたとしても、シャワー状の水に不純物が付着されて、地上の空気を清浄化することが可能となる。ここで、前記内空管１０の上端部１０ｃから水をシャワー状に噴出させる場合は、図２に示すように、前記内空管１０の上端部１０ｃに、下端部１０ｂの内部に向けて水をシャワー状に噴出させる噴水ノズル１９を備える構成とされる。又、前記外空管１１の上端部１１ｆから水をシャワー状に噴出させる場合は、前記噴水ノズル１９を当該上端部１１ｆに配置すれば良い。

又、本発明に係る地中熱交換器１は、前記噴水ノズル１９を備える場合に、前記連通管１３の内部底面に溜まる水を地上に汲み上げる汲み上げポンプ２０を更に備えると好ましい。これにより、前記噴水ノズル１９で利用する水を地中熱交換器１内で循環させることが可能となり、新たに水を供給する必要が無くなる。

尚、前記汲み上げポンプ２０は、どこに配置されても良いが、例えば、耐水性の水中ポンプとして連通管１３の内部底面の中心に配置されると、前記噴水ノズル１９の水を適切に地上に汲み上げることが可能となり、好ましい。

又、本発明に係る地中熱交換器１は、前記汲み上げポンプ２０を備える場合に、当該汲み上げポンプ２０が汲み上げた水を前記噴水ノズル１９に供給する供給管２１の所定の箇所に、当該水中の不純物を除去可能な洗浄フィルタ２２を更に備える。これにより、前記水中の不純物を除去した水を前記噴水ノズル１９でシャワー状に噴出させることで、地上の空気中の不純物を清浄化する能力を高めておくことが可能となる。

又、本発明に係る地中熱交換器１は、前記連通管１３の内部底面に、内周面（内壁面）から中心に向かって所定の角度で下方に傾斜するテーパー部２３を更に備えている。これにより、前記内空管１０や外空管１１の内部に存在する水が連通管１３の内部に落下すると、前記テーパー部２３により内部底面の中心に効率よく収集される。

ここで、前記テーパー部２３の中心にコ状の窪み部２４を設け、当該窪み部２４の内部に前記汲み上げポンプ２０を配置することで、前記収集された水を当該汲み上げポンプ２０で更に効率よく汲み上げることが可能となる。

又、本発明に係る地中熱交換器１は、前記噴水ノズル１９を備える場合に、当該噴水ノズル１９に供給される水を加熱したり冷却したりする温度調整部２５を更に備えている。これにより、夏季の場合には、前記温度調節部２５により水を冷却することで、地中熱の冷却に加えて、更に、前記内空管１０内の地上の空気を冷水との接触により冷却することが可能となる。又、冬季の場合には、前記温度調節部２５により水を加熱することで、地中熱の加熱に加えて、更に、前記内空管１０内の地上の空気を温水との接触により加熱することが可能となる。尚、前記温度調整部２５は、例えば、電力を供給することで設定温度に加熱されたり冷却されたりする。

又、本発明に係る内空管１０、外空管１１の肉厚は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、地中熱交換効率を高めるために、比較的薄く形成される方が好ましい。

＜空調システム＞
図６は、本発明に係る空調システムの正面断面図である。本発明に係る空調システム２は、図６に示すように、上述した地中熱交換器１を利用して、家屋や工場等の建物内部の空気を、前記内空管１０又は前記外空管１１のいずれか一方の管（例えば、内空管１０）の上端部から建物内部の空気を送り込み、前記空気を前記連通管１３の内部を介して他方の管（例えば、外空管１１）の下端部から上端部へ通過させる送風手段１６を備え、前記建物内部の空気の熱と前記通気性板１２の熱とを交換させることを特徴とする。

これにより、年間を通して建物内部の空気を効率よく冷やしたり暖めたりすることが可能となるため、当該建物に設置されるエアコン等を不要とし、当該エアコンの電力使用量を著しく削減することが可能となる。

ここで、前記建物は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、地上に設置された工場、一戸建て住宅、集合住宅、ビル等が挙げられる。

又、前記送風手段１６は、本発明の目的を阻害しない限り、特に限定はないが、例えば、吸気ファン、送風機等が挙げられる。

又、本発明に係る空調システム２では、前記内空管１０又は前記外空管１１のいずれの上方から水をシャワー状に噴出させる噴水ノズル１９を設けることで、建物内の空気を清浄化することが可能となる。そのため、例えば、内部で粉塵等の不純物が発生する建物、例えば、粉体を扱う工場等に適用すると、空気から当該不純物を自動的に除去することが出来るため、熱交換機能と空気清浄化機能とを兼ね備えた空調システムとして最適となる。

工場内の空気が清浄化されれば、内部で作業する作業員の労働環境を向上することが可能となり、又、クリーンルーム等を用いる必要が無くなるから、機能面、コスト面でも十分に顕著な効果を発揮することになる。

このように、本発明に係る地中熱交換器１は、地中に埋め込まれることで、内部に送り込まれた空気の熱と地中熱とを交換させる二重管構造の地中熱交換器１であって、前記内空管１０と、前記外空管１１と、前記通気性板１２と、前記連通管１３とを備え、前記内空管１０又は前記外空管１１のいずれか一方の管の上端部から地上の空気を送り込み、前記空気を前記連通管１３の内部を介して他方の管の下端部から上端部へ通過させることで、当該空気の熱と前記通気性板１２の熱とを交換させることを特徴とする。

又、本発明に係る空調システム２は、地中に埋め込まれることで、内部に送り込まれた空気の熱と地中熱とを交換させる二重管構造の地中熱交換器１を備えた建物内部の空調システムであって、前記地中熱交換器１は、前記内空管１０と、前記外空管１１と、前記通気性板１２と、前記連通管１３とを備え、本空調システム２は、前記内空管１０又は前記外空管１１のいずれか一方の管の上端部から前記建物内部の空気を送り込み、前記空気を前記連通管１３の内部を介して他方の管の下端部から上端部へ通過させる送風手段１６を備え、前記建物内部の空気の熱と前記通気性板１２の熱とを交換させることを特徴とする。

これにより、簡単な構成であるにもかかわらず、地上の空気と地中との熱交換を効率よく行うことが可能となる。

以上のように、本発明に係る地中熱交換器及びこれを用いた空調システムは、家庭用はもちろん、工業用の地中熱交換器及び空調システムとしても有用であり、簡単な構成であるにもかかわらず、地上の空気と地中との熱交換を効率よく行うことが可能な地中熱交換器及び空調システムとして有効である。

１ 地中熱交換器
１０ 内空管
１１ 外空管
１１ａ 単位外空管
１２ 通気性板
１３ 連通管
１４ シール材
１５ 吸気配管
１６ 吸気ファン
１７ 排気配管
１８ 排気ファン
１９ 噴水ノズル
２０ 汲み上げポンプ
２１ 連通管
２２ 洗浄フィルタ
２３ テーパー部
２４ 窪み部
２５ 温度調整部
２ 空調システム

Claims (6)

1. 地中に埋め込まれることで、内部に送り込まれた空気の熱と地中熱とを交換させる二重管構造の地中熱交換器であって、
   長手方向を地上の重力方向に沿った状態で地中に配置される円筒形の内空管と、
   前記内空管の外径よりも大きい内径を有し、前記内空管を内部に挿通して積み重ねられた複数の単位外空管からなる外空管と、
   各単位外空管の間に設けられ、前記内空管の外周面から前記単位外空管の外周面までを覆い、当該単位外空管の外周面から外側の地中に接触した金属製の通気性板と、
   前記内空管の下端部と前記外空管の下端部とを連通する連通管と
   を備え、
   前記内空管又は前記外空管のいずれか一方の管の上端部から地上の空気を送り込み、前記空気を前記連通管の内部を介して他方の管の下端部から上端部へ通過させることで、当該空気の熱と前記通気性板の熱とを交換させ、
   前記通気性板は、長手方向の寸法が前記内空管の外周面から前記単位外空管の外周面までの寸法よりも長い寸法の短冊状の通気性素材を前記内空管の外周面から相互に重ねて敷き詰めた構成とすることを特徴とする地中熱交換器。
2. 前記通気性素材は、金属製の線材を交差させてダイヤモンド型の編目を有するエキスパンドメタルである
   請求項１に記載の地中熱交換器。
3. 地中に埋め込まれることで、内部に送り込まれた空気の熱と地中熱とを交換させる二重管構造の地中熱交換器であって、
   長手方向を地上の重力方向に沿った状態で地中に配置される円筒形の内空管と、
   前記内空管の外径よりも大きい内径を有し、前記内空管を内部に挿通して積み重ねられた複数の単位外空管からなる外空管と、
   各単位外空管の間に設けられ、前記内空管の外周面から前記単位外空管の外周面までを覆い、当該単位外空管の外周面から外側の地中に接触した金属製の通気性板と、
   前記内空管の下端部と前記外空管の下端部とを連通する連通管と
   を備え、
   前記内空管又は前記外空管のいずれか一方の管の上端部から地上の空気を送り込み、前記空気を前記連通管の内部を介して他方の管の下端部から上端部へ通過させることで、当該空気の熱と前記通気性板の熱とを交換させ、
   前記単位外空管の下端部に、下向きに凸状の嵌合部を設け、前記単位外空管の上端部に、上向きに凹状の嵌合部を設け、各単位外空管を上下方向に積み重ねた場合に、上方の単位外空管の下端部の嵌合部が、下方の単位外空管の上端部の嵌合部に嵌合することを特徴とする地中熱交換器。
4. 前記単位外空管の上端部の嵌合部にシール材を設ける
   請求項３に記載の地中熱交換器。
5. 地中に埋め込まれることで、内部に送り込まれた空気の熱と地中熱とを交換させる二重管構造の地中熱交換器を備えた建物内部の空調システムであって、
   前記地中熱交換器は、
   長手方向を地上の重力方向に沿った状態で地中に配置される円筒形の内空管と、
   前記内空管の外径よりも大きい内径を有し、前記内空管を内部に挿通して積み重ねられた複数の単位外空管からなる外空管と、
   各単位外空管の間に設けられ、前記内空管の外周面から前記単位外空管の外周面までを覆い、当該単位外空管の外周面から外側の地中に接触した金属製の通気性板と、
   前記内空管の下端部と前記外空管の下端部とを連通する連通管と
   を備え、
   本空調システムは、前記内空管又は前記外空管のいずれか一方の管の上端部から前記建物内部の空気を送り込み、前記空気を前記連通管の内部を介して他方の管の下端部から上端部へ通過させる送風手段
   を備え、
   前記建物内部の空気の熱と前記通気性板の熱とを交換させ、
   前記通気性板は、長手方向の寸法が前記内空管の外周面から前記単位外空管の外周面までの寸法よりも長い寸法の短冊状の通気性素材を前記内空管の外周面から相互に重ねて敷き詰めた構成とすることを特徴とする空調システム。
6. 地中に埋め込まれることで、内部に送り込まれた空気の熱と地中熱とを交換させる二重管構造の地中熱交換器を備えた建物内部の空調システムであって、
   前記地中熱交換器は、
   長手方向を地上の重力方向に沿った状態で地中に配置される円筒形の内空管と、
   前記内空管の外径よりも大きい内径を有し、前記内空管を内部に挿通して積み重ねられた複数の単位外空管からなる外空管と、
   各単位外空管の間に設けられ、前記内空管の外周面から前記単位外空管の外周面までを覆い、当該単位外空管の外周面から外側の地中に接触した金属製の通気性板と、
   前記内空管の下端部と前記外空管の下端部とを連通する連通管と
   を備え、
   本空調システムは、前記内空管又は前記外空管のいずれか一方の管の上端部から前記建物内部の空気を送り込み、前記空気を前記連通管の内部を介して他方の管の下端部から上端部へ通過させる送風手段
   を備え、
   前記建物内部の空気の熱と前記通気性板の熱とを交換させ、
   前記単位外空管の下端部に、下向きに凸状の嵌合部を設け、前記単位外空管の上端部に、上向きに凹状の嵌合部を設け、各単位外空管を上下方向に積み重ねた場合に、上方の単位外空管の下端部の嵌合部が、下方の単位外空管の上端部の嵌合部に嵌合することを特徴とする空調システム。