JP6932022B2

JP6932022B2 - 熱交換パイプの埋設装置、熱交換パイプの埋設方法および熱交換パイプの埋設用治具

Info

Publication number: JP6932022B2
Application number: JP2017079472A
Authority: JP
Inventors: 善光橋詰
Original assignee: Mitani Sekisan Co Ltd
Current assignee: Mitani Sekisan Co Ltd
Priority date: 2017-04-13
Filing date: 2017-04-13
Publication date: 2021-09-08
Anticipated expiration: 2037-04-13
Also published as: JP2018179408A

Description

本発明は、縦穴内に熱交換パイプを埋設して、熱交換パイプ内に流体を循環させて地中熱を地上に取り出す際に適用する熱交換パイプの埋設装置、熱交換パイプの埋設方法および埋設用治具に関する。

地中熱を地上に取り出すために流体を流す熱交換パイプを杭穴（縦穴）内に埋設する方法がとられて、熱交換パイプの両端の開口部を地上に開放した状態で、熱交換パイプの折り返し端を縦穴内の底付近に埋設していた。この場合、縦穴は深いほど有効な地中熱を地上に回収できるので、少なくとも１０ｍ程度の深さを要し、対応して、２０ｍ程度を折り返した熱交換パイプを縦穴内に埋設することが必要であった。また、地上は一般に泥や砂利でまみれており、破損のおそれがあるため、地上に、熱交換パイプを寝かせて作業をすることはできず、埋設作業時には埋設する熱交換パイプを吊り上げるクレーンなどの重機が必要であった（特許文献２）。
また、一般に、縦穴（杭穴）を掘削するためには、掘削ヘッド付きの掘削ロッドを備えた掘削機が必要であった。
また、複数本の熱交換パイプを束ねて縦穴内に埋設するためには、縦穴内で生じる浮力に抗してある程度の重さを有する埋設用治具が必要であった（特許文献１）。この場合、浮力に抗するために、上向きの高圧水の推進力を利用していた。

特開２０１２−１７１５８０号公報特開２０１５−４５４７２号公報

従来では、縦穴（杭穴）を掘削するために、縦穴（杭穴）を掘削するためには、掘削ヘッド付きの掘削ロッドを備えた掘削機が必要であり、かつその後に、熱交換パイプを埋設する熱交換パイプを吊り上げて、縦穴（杭穴）に納めるために、別途にクレーンが必要であった。
したがって、狭い現場内で、掘削のための手段とクレーンなどの吊り上げるための手段を用意しなければならなかった。
また、前記埋設用治具では、浮力に抗する重量を確保するためや、杭穴壁や熱交換パイプを高圧水の圧力から保護するために、埋設用治具の長さ（高さ）など埋設用治具が大きくならざるを得なかった。

本発明は、掘削機の回転昇降装置や押し込みロッドの上端部に熱交換パイプを保持する保持具を設け、あるいは埋設用治具を上下に開放した略筒状形状としたので、前記問題点を解決した。

即ち、この埋設装置の発明は、地中熱を地上に得る熱交換パイプを縦穴に沿って埋設する装置であって、以下のように構成したことを特徴とする熱交換パイプの埋設装置である。
(1) 掘削機の回転昇降装置に押し込みロッドを取り付けて、前記押し込みロッドの先端に上下に開口した平面視で四角形または六角形の略筒状の埋設用治具を保持した。
(2) 前記埋設用治具は、内側をセメントミルク類が通過できる構造とした。
(3) 前記熱交換パイプの複数を、折り返し端部を下に向けて両開口端を上に向けて配置し、前記折り返し端部を前記埋設用治具の「外面」または「内面および外面」に固定し、前記両開口端を前記押し込みロッドの上端部または前記回転昇降装置に設けた保持具に保持した。

また、埋設用ジグの発明は、以下のように構成したことを特徴とした熱交換パイプの埋設用治具である。
(1)上下に開口した平面視で四角形または六角形の筒状の基体の内側に取付部材を配置して、
前記取付部材を介して、掘削機の押し込みロッドに装着できる差し込み部材を立設して、前記差し込み部材の上端部を前記基体の上縁より上方に突出させた。
(2) 前記基体は、その内側をセメントミルク類が通過できる構造とし、かつ前記基体の外面および内面に熱交換パイプを取り付けるスペースを設けた。

この発明は、掘削機の回転昇降装置や押し込みロッドの上端部に熱交換パイプを保持する保持具を設けたので、熱交換パイプを施工する際に、クレーンなどの重機を不要として、縦穴内への熱交換パイプの埋設作業を簡略化させることができる。また、掘削機の回転昇降装置の自重や押し込み力を押し込みロッドから熱交換パイプや埋設用治具に伝えるので、埋設用治具を軽量化できる。

（ａ）はこの発明の実施例に使用する埋設用治具の斜視図で、（ｂ）は熱交換パイプを取り付けた埋設用治具の平面図、（ｃ）は正面図を表す。他の埋設用治具で（ａ）は熱交換パイプを取り付けた埋設用治具の平面図、（ｂ）は正面図を表す。（ａ）（ｂ）は熱交換パイプの概念図である。（ａ）〜（ｄ）は埋設方法を説明する概略した縦断面図を表す。

図面に基づきこの発明の実施態様について説明する。
なお、この出願は平成２６年度、国立研究開発法人新エネルギー・産業技術総合開発機構（ＮＥＤＯ）「再生可能エネルギー熱利用技術開発／地中熱利用トータルシステムの効率化技術開発及び規格化」委託事業の成果に係る特許出願である。

１．熱交換パイプ１０と埋設用治具１

（１）上下に開放した四角筒（基体）２の壁板の内面３、３に、平面視で十字型の取付部材７を略水平に配置して、取付部材７の端部を内面３、３に固定する。取付部材７の交差中心は、四角筒２の軸芯６に位置する。また、取付部材７は、四角筒２の高さ方向で、やや上側に位置している（図１（ａ）（ｂ））。十字型の取付部材７は、２本の棒状の部材を交差させて構成し、あるいは４本の棒状部材を放射状に連結して構成してあり、できるだけ四角筒２内の上下の開放を妨げないように形成してある。
取付部材７の上面で軸心６付近（四角筒２の中心付近）に、丸パイプからなる差し込み部材８を立設固定する。差し込み部材８の上端は、四角筒２の上端から十分に上方に突出している（図１（ａ））。

（２）熱交換パイプ１０は、樹脂製で、かつある程度の柔軟性を有するパイプ材料１２、１２からなり、１本の長いパイプ材料１２を下屈曲部１３、１３、上屈曲部１４、１４の屈曲位置に補強パイプ１６、１６をそれぞれ被せて、補強パイプ１６ごとパイプ材料１２を屈曲して屈曲部（下屈曲部１３、上屈曲部１４）を形成する。ここで、掘削する縦穴４０の底付近に位置する下屈曲部１３、１３を４つ形成し、縦穴の開口部（地上３９）付近に位置する上屈曲部１４、１４を３つ形成して、１本のパイプ材料１２の両端を直線状にして、地上３９に上げて開口１１、１１を上方に向けて構成する（図３（ａ））。
例えば、縦穴４０の深さを１０ｍとした場合、パイプ材料１２は、１０ｍ×８＝８０ｍ程度で形成する。したがって、熱交換パイプ１０は、８本のパイプ材料が縦に並んだ構成となっており、パイプ材料１２を保形する水平リング１７、１７を、所定高さ毎（例えば、２ｍ毎）に取り付けてある（図４（ｃ））。

（３）以上のようにして構成した熱交換パイプ１０の補強パイプ１６（各下屈曲部１３）を、埋設用治具１の四角筒２の外面４、４に密着させて固定する（図１（ｂ）（ｃ））。この状態で、補強パイプ１６の下端は、四角筒２の下端よりも上方に位置し、補強パイプ１６の上端は、四角筒２の上端より上方に位置している（図１（ｃ））。

２．掘削機２０の構成

（１）掘削機２０は通常の構成で、キャタピラを備えた走行部２４の上に、オーガー（回転昇降手段）が昇降するやぐら２３が立てられ、また操作室２２を設けてある。オーガー２６はやぐら２３の縦レール２４に沿って昇降する本体部２７と、本体部２７内下側に、押し込みロッド３３や掘削ロッド３５を挟んで回転する回転部２８を有する。
このように構成した掘削機２０で、オーガー２６の下端部にウインチ３０（回転巻き上げ具。＝パイプ保持具）を取り付ける。ウインチ３０は、内蔵したワイヤー３１を引き出しおよび巻き上げが自在であり、熱交換パイプ１０の上端部にワイヤー３１を係止して巻き上げて、熱交換パイプ１０の上端部をウインチ３０の近く（オーガー２６の下端の近く）に保持できる。

（２）掘削機２０のオーガー２６には、回転部２８に掘削ヘッド３６を備えた中空の掘削ロッド３５、あるいは掘削ヘッド３６や撹拌具・練り付け具を設けない中空の押し込みロッド３３を装着可能となっている。押し込みロッド３３の下端は、中空部内に埋設用治具１の差し込み部材８を挿入でき、押し込みロッド３３の下端外周は埋設用治具１の四角筒２内に納まる形状となっている（図１（ｂ）（ｃ）鎖線図示３３）。

３．熱交換パイプ１０の埋設

（１）掘削機２０に掘削ロッド３５を装着し、掘削ロッド３５の掘削ヘッドで、通常の各種方法で、地上３９から縦穴４０（杭穴）を掘削する（図４（ａ））。続いて、掘削ヘッド３６（掘削ロッド３５の先端）から縦穴４０内にセメントミルク類を注入しながら、必要ならば掘削ロッド３５を回転昇降させて、縦穴４０内の残置物（泥水など）とセメントミルク類を撹拌しながら縦穴４０内にソイルセメントを生成する。この際、縦穴４０内に土塊が残らないように、充分に撹拌することが望ましい。
ソイルセメントを生成したならば、掘削ヘッド３６および掘削ロッド３５を地上３９に引きあげる（図４（ｂ））。なお、ここで、縦穴４０内にはソイルセメントを生成したが、周辺地盤と熱交換パイプ１０との間で熱伝導に大きな影響が無ければ、泥水などをセメントミルクに置換することもでき、あるいは残置した泥水を脱水固化させることもできる。
続いて、オーガー２６から掘削ロッド３５を取り外す。

（２）続いて、地上３９で、環状に配置され埋設用治具１を取り付けた熱交換パイプ１０（図１（ｂ）（ｃ）、図３（ａ））の間に、押し込みロッド３３を挿入して、押し込みロッド３３の中空部の先端に、埋設用治具１の差し込み部材８を挿入する（図１（ｂ）（ｃ））。掘削機２０のオーガー２６はやぐら２３（縦レール２４）の上端部にあり、取り付けたウインチ３０のワイヤー３１を地上３９付近まで引き出して、ワイヤー３１の先端を熱交換パイプ１０の上端部に係止する。
続いて、通常の方法で、押し込みロッド３３の上端をオーガー２６の回転部２８に装着すると共に、ウインチ３０のワイヤー３１を巻き戻して、熱交換パイプ１０を押し込みロッド３３に沿って立ち上げる。
周囲に熱交換パイプ１０を配置した押し込みロッド３３を略垂直に立て、押し込みロッド３３を縦穴４０の上方に移動させる。また、ウインチ３０でワイヤー３１の長さを調整して、押し込みロッド３３の先端が丁度、埋設用治具１の十字の取付部材７を軽く押した状態にしておく（図１（ｂ）（ｃ））。

（３）オーガー２６を下降させ、押し込みロッド３３を下降し、押し込みロッド３３の先端で埋設用治具１を軽く押しながら、熱交換パイプも下降して、熱交換パイプ１０と押し込みロッド３３とを縦穴４０内（セメントミルク内、ソイルセメント内）に押し込む（図４（ｃ））。この際、セメントミルク（ソイルセメント）の比重と生じる浮力により、押し込み抵抗を受けるが、オーガー２６のオーガー２６の重量（押し込み力）により、抵抗に抗して、熱交換パイプ１０を下降させることができる。
また、押し込みロッド３３の下端は十字状の取付部材７に当たるので押し込みロッド３３の押し込み力を埋設用治具１に伝えることができ、かつ押し込みロッド３３が多少上下方向にずれた場合であっても、差し込み部材８が押し込みロッド３３の中空部に挿入されているので、ずれるおそれが無い。
また、万一、縦穴４０内に砕石などが残っていた場合であっても、埋設用治具１と補強パイプ１６、１６が熱交換パイプ１０の下端部に位置するので、熱交換パイプ１０（パイプ材料１２）を保護できる。

（４）埋設用治具１（熱交換パイプ１０の下端）を所定の深さ（通常は、縦穴４０の底付近）まで下降させたならば、熱交換パイプ１０の上端部を地上で保持して、熱交換パイプ１０からウインチ３０のワイヤー３１を外して、熱交換パイプ１０をオーガー２６から切り離す。続いて、オーガー２６を上昇させて、押し込みロッド３３を地上に引きあげ、熱交換パイプ１０および埋設用治具１を縦穴４０内に残置する。
セメントミルクが固化したならば、熱交換パイプ１０の埋設が完了する（図４（ｄ））。

（５）続いて、地上３９に開放している熱交換パイプ１０の開口１１、１１で、必要な水圧試験を行い、熱交換パイプ１０に損傷が無いことを確認して、縦穴４０に埋設した他の熱交換パイプ１０とも地上配管４２、４２接続して、所定の熱交換システムを構築する。

（６）なお、ここで、掘削ロッド３５（掘削ヘッド３６付き）を備えた掘削機１２と、押し込みロッド３３を備えた他の掘削機１２とを用意することもできる（図示していない）。この場合には、掘削ロッド３３、押し込みロッド３３の着脱作業を省略して、連続的に縦穴４０の掘削し、熱交換パイプ１０を埋設する作業の効率化を図ることもできる。
また、前記において、熱交換パイプ１０を縦穴４０内で回転あるいは小さく回動させる必要がある場合には、ウインチ３０をオーガー２６の回転部２８に取り付け、あるいは、ウインチ３０を押し込みロッド３３の上端部に取り付けることもできる（図示していない）。これにより、オーガー２６を回転させれば、押し込みロッド３３に合わせて熱交換パイプ１０を回転させることができる。
また、前記において、撹拌手段や練り付け手段を設けた掘削ロッド３５とは、別途の外周に何も突起物がない押し込みロッドを使用したが、熱交換パイプ１の埋設に支障が無い範囲で突起物が存在しても良い（図示していない）。したがって、掘削ヘッド３６を設けた掘削ロッド３５（押し込みロッド３３兼用）から掘削ヘッド３６を取り外して、押し込みロッド３３とすることもできる（図示していない）。

４．他の実施態様

（１）前記実施態様において、熱交換パイプ１０は、１本のパイプを屈曲して形成したが、Ｕ字状のパイプ材料１２の開口１１、１１を上に向けた状態で、４つ並べて、隣接する開口を連通させた構造とすることもできる（図示していない）。また、逆Ｕ字状のパイプ材料１２の開口１１、１１を下に向けて３つ並べて、さらにその両側に直線状のパイプ材料を１本づつ並べて、隣接するパイプ材料の下端の開口を連通させた構造とすることもできる（図示していない）。
また、Ｕ字状のパイプ材料１２の開口１１、１１を上に向けた状態で、４つ並べて、隣接する開口を連通させずに、他の縦穴４０の熱交換パイプ１０の開口１１、１１とともに、ヘッダー状の装置で各開口１１、１１を地上配管４２、４２に連結して、熱交換システムを構成することもできる（図３（ｂ））。

（２）また、前記実施態様において、熱交換パイプ１０は、パイプ材料１２を上下に折り曲げて構成したが、放熱スペースを確保して、かつできるだけ距離を長く形成できれば、他の構成とすることもできる。例えば、軸を略垂直にした螺旋状に形成して、地上に一方の開口１１を設けて上から下に向けて螺旋を形成して、縦穴４０の底付近で折り返して下から上に向けて直線状または螺旋状に形成して他方の開口１１を地上に配置した構成とすることもできる（図示していない）。この場合にも、螺旋状の熱交換パイプ１０の下端部を埋設用治具１に係止して、上端部をワイヤー３１などでウインチ３０に固定して埋設作業をおこなうことができる。

（３）また、前記実施態様において、埋設用治具１の四角筒２の外面４に熱交換パイプ１０の補強パイプ１６（下屈曲部１３）を固定したが、四角筒２の内面３に熱交換パイプ１０の補強パイプ１６（下屈曲部１３）を固定することもできる（図示していない）。さらに、四角筒２の内面３と外面４の両面に熱交換パイプ１０の補強パイプ１６（下屈曲部１３）を固定することもできる（図示していない）。これにより、倍の長さの熱交換パイプ１０、１０を同時に埋設できる。
また、埋設用治具１の四角筒２の内側に、四角筒２より小さな四角筒２Ａを配置して、かつ四角筒２Ａを取付部材７の上または下に配置することもできる（図２）。そして、同様に、外側の四角筒２の外面４、４に熱交換パイプ１０の補強パイプ１６（下屈曲１３）を固定し、内側の四角筒２Ａの外面４Ａ、４Ａに他の熱交換パイプ１０Ａの補強パイプ１６Ａ（下屈曲１３Ａ）を固定することもできる（図２（ａ）（ｂ））。これにより、倍の長さの熱交換パイプ１０、１０Ａを同時に埋設できる。さらに、四角筒２の内外面３、４に熱交換パイプ１０、１０を固定し、四角筒２Ａの内外両面３Ａ、４Ａに熱交換パイプ１０Ａ、１０Ａを固定すれば、４倍の長さの熱交換パイプ１０、１０Ａを一度に埋設できる（図示していない）。
また、前記各場合において、熱交換パイプ１０は長いパイプ材料を屈曲して構成したが、短い（縦穴４０の深さより短い）直線状のパイプ材料の上下をＵ字状のジョイントで連結して構成することもできる（図示していない）。

（４）また、前記実施態様において、埋設用治具１で四角筒２を使用したが、上下に開放された筒型材料であれば、三角筒、五角筒、６角筒などの多角筒や円筒を使用することもできる（図示していない）。

（５）また、前記実施態様において、埋設用治具１で十字状の取付部材７を使用したが、四角筒２（筒状部材）の軸芯６付近に差し込み部材８を配置して、押し込みロッド３３を所定位置に保持できれば、他の構造とすることもできる（図示していない）。具体的には、四角筒２（筒状部材）の内面に固定でき、かつ軸芯６付近に差し込み部材８を固定するスペースがある必要がある。また、熱交換パイプ１０を埋設する際に、上下に開放した四角筒２（筒状部材）の内側でのセメントミルク類の通過を妨げないように、できるだけ占める面積を少なくして棒状形状など抵抗を軽減することが望ましい。

１、１Ａ埋設用治具
２、２Ａ埋設用治具の四角筒（基体）
３、３Ａ四角筒の内面
４、４Ａ四角筒の外面
７埋設用治具の取付部材
８埋設用治具の差し込み部材
１０、１０Ａ熱交換パイプ
１１熱交換パイプの開口
１２、１２Ａパイプ材料
１３、１３Ａパイプ材料の下屈曲部
１４パイプ材料の上屈曲部
１６、１６Ａ熱交換パイプの補強パイプ
１７熱交換パイプの水平リング
２０掘削機
２６掘削機のオーガー（回転昇降装置）
３０ウインチ（保持具）
３１ウインチのワイヤー（保持具）
３３掘削機の押し込みロッド
３５掘削機の掘削ロッド
３６掘削ロッドの掘削ヘッド
３９地上
４０縦穴
４２地上配管

Claims

地中熱を地上に得る熱交換パイプを縦穴に沿って埋設する装置であって、以下のように構成したことを特徴とする熱交換パイプの埋設装置。
(1) 掘削機の回転昇降装置に押し込みロッドを取り付けて、前記押し込みロッドの先端に上下に開口した平面視で四角形または六角形の略筒状の埋設用治具を保持した。
(2) 前記埋設用治具は、内側をセメントミルク類が通過できる構造とした。
(3) 前記熱交換パイプの複数を、折り返し端部を下に向けて両開口端を上に向けて配置し、前記折り返し端部を前記埋設用治具の「外面」または「内面および外面」に固定し、前記両開口端を前記押し込みロッドの上端部または前記回転昇降装置に設けた保持具に保持した。
以下のように構成したことを特徴とした熱交換パイプの埋設用治具。
(1)上下に開口した平面視で四角形または六角形の筒状の基体の内側に取付部材を配置して、
前記取付部材を介して、掘削機の押し込みロッドに装着できる差し込み部材を立設して、前記差し込み部材の上端部を前記基体の上縁より上方に突出させた。
(2) 前記基体は、その内側をセメントミルク類が通過できる構造とし、かつ前記基体の外面および内面に熱交換パイプを取り付けるスペースを設けた。