JP7232450B2 - 熱交換器用スペーサ - Google Patents

Description

この発明は、地中熱を利用する熱交換器に関するものである。

地中の深部は年間を通して、ほぼ一定温度に保たれており、夏は屋外の気温より低く、冬は屋外の気温より高くなっている。その地中の熱を利用するために、地中に埋設する地中熱交換器が知られている。地中熱交換器は、ヒートポンプや冷暖房装置や融雪装置等の負荷装置に接続され、水や不凍液等の熱媒体が循環しており、管路がＵ字形状のＵチューブ型や(例えば、特許文献１参照)、螺旋状に構成されたスパイラル型等が提案されている。Ｕチューブ型の熱交換器は、往路用熱交換管と、該往路用熱交換管の下端から折り返した還路用熱交換管とが、並行になるように垂直に埋設され、垂直埋設型とも呼ばれることがある。

特開２００６－２３４３４０号公報

特許文献１の熱交換器は、往路用熱交換管と還路用熱交換管とをガイド部によって連結したり、往路用熱交換管と還路用熱交換管とを繋いで一体的に形成したりして、往路用熱交換管と還路用熱交換管とが離れるようにしてある。特許文献１の熱交換器は、樹脂等からなるガイド部や熱交換管と同じ樹脂からなる繋ぎが土よりも熱伝導率が高いので、ガイド部や繋ぎを伝って往路用熱交換管と還路用熱交換管との間で熱交換してしまうという問題が指摘される。

本発明は、従来の技術に係る前記問題に鑑み、これらを好適に解決するべく提案されたものであって、並行する往路用熱交換管と還路用熱交換管との間での熱伝導を防止できる熱交換器を提供することを目的とする。

前記課題を克服し、所期の目的を達成するため、本願の請求項１に係る発明の熱交換器は、
地中に埋設される熱交換器であって、
並行するように配置された複数条の熱交換管と、
並行するように配置された前記複数条の熱交換管のうちの往路用熱交換管と還路用熱交換管との間に配置され、当該熱交換管同士の間隔を規定するスペーサとを備え、
前記スペーサは、気体が封入された状態で閉じた中空空間を有する筒状体であり、前記中空空間が前記熱交換管同士の間に配置されていることを要旨とする。
請求項１に係る発明によれば、並行するように配置された往路用熱交換管と還路用熱交換管との間に配置されたスペーサによって、往路用熱交換管と還路用熱交換管との間が所定間隔になるように規定することができる。往路用熱交換管と還路用熱交換管との間に配置されたスペーサは、中空空間を有する筒状体であり、中空空間に封じられた気体が土やスペーサを構成する材料よりも熱伝導率が低いから、スペーサを伝って往路用熱交換管と還路用熱交換管との間で熱が移動することを防止できる。このように、熱交換器は、往路用熱交換管と還路用熱交換管との間の熱伝導を防止してあるので、熱交換効率を向上することができる。

請求項２に係る発明では、前記スペーサは、並行するように配置された前記往路用熱交換管と前記還路用熱交換管との間における地表に近い上部に少なくとも配置されていることを要旨とする。
請求項２に係る発明によれば、往路用熱交換管を流通する熱媒体と還路用熱交換管を流通する熱媒体との温度差が大きい熱交換器の上部に、スペーサを少なくとも配置することで、往路用熱交換管と還路用熱交換管との間の熱伝導を適切に防止できる。

請求項３に係る発明では、前記スペーサは、並行するように配置された前記往路用熱交換管と前記還路用熱交換管の間に、該熱交換管に沿って延在するように配置されていることを要旨とする。
請求項３に係る発明によれば、スペーサを熱交換管に沿って延在するように配置することで、スペーサが有する高い断熱性によって、往路用熱交換管と還路用熱交換管との間の熱伝導を該熱交換管の延在方向に亘って適切に防止できる。

請求項４に係る発明では、前記スペーサは、円筒形に形成されていることを要旨とする。
請求項４に係る発明によれば、円弧状の外周面が熱交換管に接するように、スペーサを配置することで、熱交換管とスペーサとの接触面を減らすことができ、熱交換管とスペーサとの間の熱伝導を一層防止できる。

請求項５に係る発明では、前記スペーサは、前記熱交換管の延在方向と交差する方向へ曲げ可能な可撓性を有していることを要旨とする。
請求項５に係る発明によれば、スペーサの可撓性によって、スペーサを熱交換管に沿わせて配置することが容易にできる。

本発明に係る熱交換器によれば、並行する往路用熱交換管と還路用熱交換管との間での熱伝導を防止できる。

本発明の好適な実施例に係る熱交換器の埋設状況を示す説明図である。 実施例の熱交換器の一部を示す概略斜視図である。 実施例の熱交換器を、径方向に切断して示す断面図である。 実施例の熱交換器の設置過程を示す説明図である。 変更例の熱交換器の要部を示す説明図である。 変更例の熱交換器を、径方向に切断して示す断面図である。

次に、本発明に係る熱交換器につき、好適な実施例を挙げて、添付図面を参照して以下に説明する。

図１に示すように、実施例に係る熱交換器１０は、複数条(実施例では２条)の熱交換管１２,１４が互いに並行するように縦向きに埋設される垂直埋設型である。熱交換器１０は、土中に縦方向に直線的に延在するように埋設される往路用熱交換管(以下、単に往路管という)１２と、往路管１２と並行するように配置され、土中に縦方向に延在するように埋設される還路用熱交換管(以下、単に還路管という)１４とを備えている。また、熱交換器１０は、往路管１２の下端と還路管１４の下端とを繋ぐ連結部１６を備えている。熱交換器１０は、往路管１２の上端(上流)および還路管１４の上端(下流)が、ヒートポンプや冷暖房装置や融雪装置などの図示しない負荷装置に接続されている。熱交換器１０は、水や不凍液などの熱媒体が、負荷装置から往路管１２に流れて、往路管１２の下端から連結部１６を介して還路管１４の下端に流れ、還路管１４から負荷装置に戻るようになっている。そして、熱交換器１０は、負荷装置との間で流通する熱媒体が、例えば気温が低い冬期に地中から採熱したり、気温が高い夏期に地中に放熱するように構成される。

前記熱交換管１２,１４は、熱媒体が流通可能で、かつ内部を流通する熱媒体と外側の土壌との間で熱交換可能な管材で構成され、例えば、ポリエチレン管、架橋ポリエチレン管、ポリブテン管、または樹脂と金属の複合管など、可撓性を有する管材を用いることができる。この中でも、柔軟性、耐腐食性、強度、熱融着性、地中熱の温度範囲および経済性などの観点からポリエチレン管を用いるとよい。図２および図３に示すように、熱交換管１２,１４は、長さ方向(埋設時の縦向き)と直交する径方向に切断した断面形状が扁平に形成され、実施例では直線的に延在する長手辺と円弧状に延在する短手辺とからなる略「小判」形の断面形状である。熱交換器１０は、往路管１２と還路管１４とが、互いに長手辺を向かい合わせた状態で並行するように配置されている。熱交換器１０は、往路管１２と還路管１４との中央を通る縦軸を中心とする仮想円(図３の一点鎖線)のうちの最小限のものに、熱媒体の流通に要する流通断面とした往路管１２と還路管１４との両方が収まるように設定される。これに併せて、熱交換器１０は、前記仮想円の中で、往路管１２と還路管１４との間隔が最大限に開くように設定してある。

図１～図３に示すように、熱交換器１０は、並行するように配置された複数条の熱交換管のうちの往路管１２と還路管１４との間に配置して、往路管１２と還路管１４との間隔を規定するスペーサ１８を備えている。スペーサ１８は、気体が封入された状態で閉じた中空空間１８ａを有する筒状体であり、中空空間１８ａが往路管１２と還路管１４との間に介在するように配置される。スペーサ１８としては、ポリエチレン管、架橋ポリエチレン管、ポリブテン管、または樹脂と金属の複合管などの円筒形の管材を用いることができ、この中でも、コストを抑えるという観点からポリエチレン管を用いるとよい。また、スペーサ１８は、熱交換管１２,１４の長さ方向(延在方向)と交差する径方向へ曲げ可能な可撓性を有しているとよい。実施例のスペーサ１８は、可撓性を有するポリエチレン管であり、両端の開口をキャップやテープなどの封止物で塞いで、円筒体の内側を閉じた中空空間１８ａとしている。スペーサ１８に封入する気体としては、空気、窒素ガス、二酸化炭素ガス、希ガス等を使用することができる。特に、作業性、入手の容易性およびコスト等の観点から、気体としては空気が好ましい。なお、空気よりも熱伝導率の低い気体(例えば、アルゴンガス、クリプトンガス、キセノンガス等)をスペーサ１８に封入すれば、断熱性をより高めることができる。

図１および図２に示すように、スペーサ１８は、並行するように配置された往路管１２と還路管１４の間に配置される。実施例のスペーサ１８は、往路管１２と還路管１４の間において、往路管１２および還路管１４に沿って縦方向へ延在するように連続的に配置されている。熱交換器１０は、往路管１２および還路管１４の長さ方向とスペーサ１８の長さ方向とが並び、スペーサ１８の円弧状に曲がる外周面が、往路管１２および還路管１４の直線的な長手辺と長さ方向へ線接触する。スペーサ１８は、テープなどの貼着物、結束線や結束バンドなどの結束具等による接合などによって、往路管１２および還路管１４に対して取り付けられる。実施例の熱交換器１０は、長さ方向の適宜箇所に設けたテープや結束バンド等(図示せず)によって、スペーサ１８と往路管１２および還路管１４とが互いに固定されている。

図１に示すように、熱交換器１０は、並行するように配置された往路管１２と還路管１４との間における地表に近い上部に、スペーサ１８を少なくとも配置するとよい。実施例の熱交換器１０は、埋設した際に、地表に近い上部から、熱交換器１０の下端を構成する連結部１６までに亘ってスペーサ１８が配置されており、熱交換管１２,１４の埋設部分全長に亘ってスペーサ１８によって間隔が規定されている。熱交換器１０は、往路管１２に流通する熱媒体と還路管１４に流通する熱媒体との温度差が大きい部分に対応してスペーサ１８を配置すればよく、熱媒体の温度差が小さい連結部１６に近い下部でスペーサ１８を省略してもよい。熱交換器１０は、熱交換管１２,１４の埋設部分の上部から熱交換管１２,１４の埋設深さの半分以上に配置することが望ましく、熱交換管１２,１４の埋設部分の上部から熱交換管１２,１４の埋設深さの２／３以上に配置することがより望ましい。

前記熱交換器１０の設置は、例えば以下のように行えばよい。まず、ボーリング等によって地盤に掘削孔２０を鉛直方向に形成する(図４(ａ))。長尺の熱交換管１２,１４が巻き回された２つのボビン２２,２２から熱交換管１２,１４をそれぞれ繰り出す。なお、熱交換管１２,１４の先端は、連結部１６で接続されている(図４(ａ))。同様に、下端の開口がキャップされた長尺のスペーサ１８が巻き掛けられたボビン２４から繰り出したスペーサ１８を、連結部１６により並行配置された熱交換管１２,１４の間に設置し、テープや結束バンド等でスペーサ１８を熱交換管１２,１４に固定する。そして、ボビン２２,２２,２４から熱交換管１２,１４およびスペーサ１８を繰り出して、掘削孔２０に熱交換管１２,１４およびスペーサ１８を所定深さまで挿入する(図４(ｂ))。この際、テープや結束バンド等でスペーサ１８を適宜箇所で熱交換管１２,１４に固定し、スペーサ１８の末端をキャップやテープなどで封止することで、スペーサ１８に気体としての空気を封じる。そして、熱交換管１２,１４を所定深さまで挿入した後、掘削孔２０を埋め戻すことで、熱交換器１０が地中に設置される(図４(ｃ))。

〔実施例の作用〕
次に、実施例に係る熱交換器１０の作用について説明する。熱交換器１０は、並行配置された往路管１２と還路管１４との間に挟んだスペーサ１８によって、往路管１２と還路管１４との間が所定間隔になるように規定することができる。往路管１２と還路管１４との間に配置するスペーサ１８は、中空空間１８ａを有する筒状体であり、中空空間１８ａに封じられた気体が土やスペーサ１８を構成する樹脂材料よりも熱伝導率が低いから、スペーサ１８を伝って往路管１２と還路管１４との間で熱が移動することを防止できる。このように、熱交換器１０は、往路管１２と還路管１４との間隔が適切に確保されていると共に、土壌よりも熱伝導率が低いスペーサ１８によって、往路管１２と還路管１４との間の熱伝導を防止しているので、採熱および放熱の効率が向上する。

前記熱交換器１０は、往路管１２を流通する熱媒体と還路管１４を流通する熱媒体とが、熱交換器１０の上部ほど、温度差が大きくなる。従って、熱交換器１０は、地表に近い上部にスペーサ１８を少なくとも配置すれば、温度差が大きい往路管１２と還路管１４との間の熱伝導を適切に防止できる。また、スペーサ１８を熱交換管１２,１４に沿って延在するように配置することで、スペーサ１８が有する高い断熱性によって、往路管１２と還路管１４との間の熱伝導を該熱交換管１２,１４の延在方向に亘って適切に防止できる。ここで、実施例の熱交換器１０のように、スペーサ１８を上部から連結部１６の上側までに亘って配置することで、埋設された往路管１２および還路管１４の全長に亘ってスペーサ１８によって熱伝導を防止することができ、熱交換器１０の効率をより高めることができる。また、スペーサ１８を往路管１２および還路管１４との間に連続的に配置することで、埋め戻した土などの圧力により、往路管１２と還路管１４とが近づいたり、接触することを防ぐことができる。このように、スペーサ１８によって往路管１２と還路管１４との間隔を適切に確保することで、熱交換器１０の効率をより高めることができる。

前記スペーサ１８は、円筒形に形成し、円弧状の外周面が熱交換管１２,１４に接するように配置している。従って、熱交換器１０は、熱交換管１２,１４とスペーサ１８との接触面を減らすことができ、熱交換管１２,１４とスペーサ１８との間の熱伝導を一層防止できる。また、熱交換器１０は、スペーサ１８の円弧状の外周面と熱交換管１２,１４との間にできる隙間が、土で埋められることになるから、熱交換管１２,１４と土とが接する面積をスペーサ１８で塞ぐことを最小限に抑えることができる。従って、熱交換器１０は、スペーサ１８を熱交換管１２,１４に接するように配置しても、熱交換管１２,１４と土との熱交換がスペーサ１８によって妨げられず、土と効率よく熱交換し得る。

前記スペーサ１８として、径方向へ曲げ可能な可撓性を有しているものを用いることで、スペーサ１８の可撓性によって、スペーサ１８を熱交換管１２,１４に沿わせて配置することが容易にできる。前述したように、熱交換管１２,１４は、ボビン２２に巻き掛けた状態で荷造りされており、ボビン２２から引き出した熱交換管１２,１４に巻き癖がある程度残ってしまうので、スペーサ１８を熱交換管１２,１４の間に適切に配置するためには、スペーサ１８を曲げる必要がでてくる。また、スペーサ１８を熱交換管１２,１４と同様に、巻いた荷姿で用意することができ、取り扱いが楽になるという利点もある。なお、熱交換管１２,１４よりも曲がり難いスペーサ１８を用いて、熱交換管１２,１４の巻き癖を矯正してもよい。

(変更例)
前述した構成に限定されず、例えば以下のようにも変更することができる。

(１)実施例では、２条の熱交換管からなる熱交換器を挙げたが、これに限らず、往路用熱交換管と還路用熱交換管との組を複数組有する熱交換器であってもよい。例えば、図５および図６に示す変更例の熱交換器３０のように、往路管(往路用熱交換管)１２と還路管(還路用熱交換管)１４との組を２組有するものに、本発明を適用することができる。変更例の熱交換器３０は、下端が連結部１６で連結された往路管１２と還路管１４とからなる第１の組と、下端が連結部１６で連結された往路管１２と還路管１４とからなる第２の組を備えている。熱交換器３０は、第１の組の熱交換管１２,１４と第２の組の熱交換管１２,１４とが、角度を９０°変えた状態で配置され、４条の熱交換管１２,１４,１２,１４が９０°間隔の円形状配列で並んでいる。熱交換器３０は、一方の組の往路管１２および還路管１４の間に、他方の組の連結部１６が挟まれて、一方の組と他方の組とが連結部１６の位置を縦方向にずらした状態で組み合わせられている。変更例の熱交換器３０では、スペーサ１８が４条の熱交換管１２,１４,１２,１４に挟まれるように配置されて、対向する熱交換管１２,１４の間隔を規定している。なお、図５および図６に示す変更例の熱交換器３０において、実施例と同様の構成には、実施例と同じ符号を付して詳細な説明を省略する。また、変更例の熱交換器３０によっても、前述した実施例と同様の作用効果を奏する。

(２)実施例では熱交換管の断面形状を扁平状に形成したが、これに限らず、円形や四角形、その他の形状であってもよい。なお、実施例のように熱交換管を扁平形状とすることで、並行する熱交換管の間隔および熱媒体の流通面積を確保しつつ、熱交換器全体の外形を最小限にできる利点がある。
(３)実施例ではスペーサを円筒状に形成したが、これに限らず、角筒状や多角形筒状など、その他の形状であってもよい。
(４)実施例では、１本のスペーサを連続的に配置するよう構成したが、これに限らず、複数のスペーサを縦方向に直列に並べて配置してもよい。この際、直列に並ぶスペーサ同士の間隔はあけても、スペーサ同士を接するように配置してもよい。
(５)並列する熱交換管の間に配置するスペーサは、１本に限らず、並列する熱交換管の間に２本以上のスペーサを配置してもよい。この場合、同じ形状のスペーサを使用してもよいし、異なる形状のスペーサを組み合わせて使用してもよい。
(６)往路用熱交換管と還路用熱交換管との組を複数組有する場合に、２以上の組の熱交換管を１つの連結部で連結する構成であってもよい。
(７)往路用熱交換管、還路用熱交換管またはスペーサの少なくとも１つの一箇所あるいは複数箇所に、スペーサの位置ずれを防止する突起や窪み等の位置ずれ防止機構を設けてもよい。
(８)実施例では往路用熱交換管と還路用熱交換管の断面形状を同じ扁平状としたが、これに限らず、一方を扁平形状として、他方を円形とするなど、両者が異なる形状であってもよい。
(９)往路用熱交換管と還路用熱交換管との組を複数組有する場合に、仮想円の中で最も効率よく熱交換管を配置できれば、熱交換管の断面形状は特に限定されない。例えば、熱交換管の断面形状を全て扁平状としてもよいし、１箇所のみまたは２箇所を扁平状とし、残りを円形としてもよい。また、２箇所を扁平状とする場合、組となる往路用熱交換管と還路用熱交換管を扁平状としてもよいし、２組の往路用熱交換管を扁平状とし、２組の還路用熱交換管を円形としてもよい。
(１０)往路用熱交換管と還路用熱交換管の間は、図３を参照して説明する仮想円の中に収まれば、往路用熱交換管と還路用熱交換管の間に配置する１又は複数本のスペーサによって、径方向に切断した断面における熱交換管の径又は長手辺よりも長くなってもよい。
(１１)スペーサと熱交換管との固定は、テープや結束バンド以外の方法で行われてもよい。

１０,３０ 熱交換器，１２ 往路管(往路用熱交換管、熱交換管)，
１４ 還路管(還路用熱交換管、熱交換管)，１８ スペーサ，１８ａ 中空空間

Claims (3)

1. 地中に埋設される熱交換器における往路用熱交換管と還路用熱交換管との間に配置され、外周面が往路用熱交換管と還路用熱交換管とに接触可能な熱交換器用スペーサであって、
   気体が封入された状態で閉じた中空空間を有する
   ことを特徴とする熱交換器用スペーサ。
2. 前記中空空間は、熱交換器用スペーサを構成する筒状体の材料よりも熱伝導性が低い請求項１記載の熱交換器用スペーサ。
3. 曲げ可能な可撓性を有している請求項１又は２記載の熱交換器用スペーサ。
   

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