JPS59122854A - 熱交換装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、熱交換装置に係り、更に詳しくは、ヒートポ
ンプ等の負荷器の熱源として地中熱を利用する熱交換装
置に関する。

地層は、非常に大きな容量を有する蓄熱体であり、昼夜
を通じての一日のサイクルとして観ても、あるいは、季
節を通じての年間のサイクルとして観ても、大気側に対
して極めて安定した温度に維持されている。この点に着
目し、近時、地中熱を積極的に利用する熱交換装置の開
発がなされている。

このような熱交換装置として、従来よシ、二重管構造等
の内部に熱媒体が往復する構造の熱交換・母イブを地中
に埋設し、この熱交換パイプを用いて地中熱を採熱する
装置がある。しかしながら、地層の温度は、地底側から
地表側に至るに従い漸次大気温度に近づく温度分布を有
している。したがって、前記熱交換・やイブの先端（地
中最深部）にて地中側と熱交換して大気温度に比し十分
な温度差を保有することとなった前記熱媒体も、熱交換
・ぐイブ中を汲み上げられる途中で地表に至るに従って
、地層との間で前記先端において行われた熱交換とは逆
方向の熱交換を行うことと々ってしまい、折角得られた
温度差が地表に至る頃には減少してしまうものであった
。その為、例えば、熱交換パイプを地中深くまで埋設し
ても期待する程の温度差が得られない等、高出力の熱交
換装置とすることが困難であった。

本発明の目的は、熱媒体が地中深部での熱交換により得
た温度差を減少させることなく地表側にて取出すことが
でき、したがって、高出力で作動させることのできる熱
交換装置を提供するにある。

その為、本発明は、熱交換パイプを地中内に放射状に埋
設して熱媒体の出入端を地表部に集合させ、この集合部
を含む地表部に断熱層を設けて地中側と大気側との間の
熱交換を阻止し、断熱層で被われた地表近傍の地層の温
度を地中最深部側の温度に近い状態に維持させ、これに
より前記熱交換パイプの先端側にて大気温度に比して十
分な温度差を保有することとなった熱媒体が、地表近傍
の地層との間で逆方向の熱交換を行うことのないように
し、別言すれば、前記温度差を保有させたままで熱交換
パイプから熱媒体を取り出すことを可能にして前記目的
を達成しようとする本のである。

以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。

第１図には、本発明による熱交換装置の第１実施例が示
されている。図中、一般住宅等の建築物１は地表２に植
設された基礎３上に支持され、床ＩＡと地表２との間隙
により、いわゆる床下の通風部が構成されている。床Ｉ
Ａの下方側の地表２の略中央位置には略角聾ボックス状
のケーシング４が埋設されている。ケーシング４は、金
属板或いは合成樹脂材等より形成され、その内部には熱
交換ノＪ？イゾ５の出入端が集合して配置されている。

熱交換・臂イノ５は、ケーシング４よシ地中内に向って
放射状に複数本埋設されており、それらの先端は通常土
壌層６を通過して滞水層７に達している。熱交換／ぐイ
ｆ５ｆｉ、例えば、内管５Ａおよび外管５Ｂを有する二
重管構造として構成され、熱媒体が内管５Ａ内に流下さ
れた後先端側にて外管５Ｂ側へと流入し、外管５Ｂ内を
上昇して熱交換パイプ５の地表２側（出入端側）よシ取
出されるよう構成されている（第２図参照）。また、各
熱交換ノ９イゾ５は、入口端同士がケーシング４内の１
つのヘッダ（集配器）８により互いに連結され、出口端
同士が他のもう１つのへラダ８によシ互いに連結されて
おり、一方のへラダ８がら各熱交換パイｆ５に分配され
た熱媒体は各・母イブ内を往復した後他方のへラダ８へ
と集合されるようになっている。

また、ヘッダ８は、途中にポンプ１０を有する熱媒体通
路９を介してヒートポンプ、冷暖房器、給湯器、冷水器
等の負荷器１１にも連結され、ボンｆｌＯにより熱媒体
は負荷器１１および熱交換パイプ５間を強制的に循環さ
れるよう構成されている。

前記建築物１の基礎３により画成される（囲まれる）地
表２には、断熱層１２が設けられている。

この断熱層１２Ｆｉ、グラスウール、ロックウール、或
いは発泡ビーズ等より形成され、断熱層１２の周縁部は
前記基礎３の内周面にも貼設されている。

また、断熱層１２と地表２との間にはポリエチレン等の
合成樹脂製のフィルム等よりなる不透湿層１３が介装さ
れており、この不透湿層１３により地中側からの水分の
透過が遮断されるようになっている。

なお、基礎３の鉛直下方側における地中内にも、基礎３
の植設位置に沿って断熱層１２を必要に応じて埋設して
もよい。

次に、本実施例の作用につき第３図をも参照して説明す
る。

第１図には、冬期における大気側および地中側の温度分
布が例示されており、この図に示されるように大気側は
例えばＯＣの低温であっても地中側は夏期に蓄積された
熱が保持され、地中内に向かうに従い順次温度が上昇し
、前記滞４水層７においては年間を通じ常に一定の温度
、例えば１５Ｃに保たれている。従って、図示の場合で
は大気側と滞水層７との間には１５Ｃの温度差が維持さ
れている。

熱交換・ぐイア６５と負荷器１１との間を循環する熱媒
体は、負荷器１１で熱を奪われ、これにより負荷器１１
にｊ５ｒ定の仕事を行なわせて自らは冷却された後、熱
交換パイプ５の内管５Ａよりパイプ５内に流入されてパ
イプ５の先端側へと至る。内管５Ａ内を流入する熱媒体
は、・ぐイｆ５が二重管構造であるため、流入途中に地
中側との間で熱交換を行うことはほとんどなく、主とし
てパイプ５の先端にて内管５Ａから外管５″Ｂへと流入
した後に、地中側との間で熱交換を行う。

パイｆ５の先端にて内管５Ａから外管５Ｂへと流入した
熱媒体は、滞水層７内を上昇する間に滞水層７の熱を奪
って高温度化する。この際、熱媒体は負荷器１１で冷却
された後に地中側から熱を受は取ることなく滞水Ｎ７に
至っておシ、一方、滞水層７は地中内において最も高温
度な部分であることから、熱媒体と滞水層７との間の温
度差は十分に大きく、シかも、滞水層７は通常土壌層６
に比して熱容量が極めて大きいとともに熱伝達効率の極
めて大きいものである。したがって、滞水層７内を上昇
する熱媒体は急速に加熱され、滞水層７から通常土壌層
６へと至る頃には熱媒体は所定の温度にまで昇温される
。第３図には、このときの熱媒体の温度変化の状態の一
例が示されており、この例においては、負荷器１１から
パイプ５内に導入された熱媒体の温度は５ｃであるが、
滞水層７から通常土壌層６へと至る頃には８ｃまで昇温
されており、したがってこのとき熱媒体は大気側（ＱＣ
）に対して８Ｃの温度差を保有できることとなる。

こうして大気側に対して大きな温度差を保有することと
なった熱媒体は、通常土壌層６内を通過してケーシング
４内（地表２側）に向って上昇するが、通常土壌層６内
においては地表２に近づくに従い漸次低温度となる（大
気温度に近づく）温度分布であるため、熱媒体から通常
土壌層６へと負の温度勾配が形成され、前記熱媒体から
通常土壌層６へと放熱が行われてしまう。別言すれば、
熱交換パイプ５の先端側において滞水層７との間で行な
われた熱交換とは逆方向の熱交換が熱媒体と通常土壌層
６との間で行なわれることとなる。

ここで、いま、断熱層１２が何ら設けられていない場合
を想定すると、熱交換パイプ５内の熱媒体から通常土壌
層６へと放出された熱は地表２から大気側へと更に放出
され、したがって、第１図および第３図中それぞれ２点
鎖線で示されるような温度分布が通常土壌層６に形成さ
れることとなる。

しかしながら、本実施例では地表２に断熱層１２が設け
られており、このような大気側への放熱現象は生ぜず、
熱媒体から通常土壌層６へと放出された熱は断熱層１２
の下方側に蓄積され、これにより第１図中破線で示され
る熱核部１４が遂には形成されることとなる。別言すれ
ば、通常土壌層６内には、第１図中実線で示されるよう
な比較的高い山型形状の等混線が形成され、第３図中実
線で示される温度曲線が形成される。

このようにして５、通常土壌層６の温度は熱交換・やイ
ア″５内を上昇する熱媒体の温度よりも高温度化され、
あるいは略等しくされることとなり、上昇中の熱媒体が
通常土壌層６から熱を受は取ることはあっても、上昇中
の熱媒体から通常土壌層６へと熱が放出されることはな
い。したがって、各熱交換・（イゾ５の先端側（最深部
側）において大気側に対して十分大きな温度差、この場
合であれば８Ｃの温度差を保有することとなった熱媒体
は、その大きな温度差を維持したままへラダ８にて取り
出され後負荷器１１へと送られ、負荷器１１は高出力で
作動される。

なお、熱断層１２が設けられない場合には、通常土壌層
６の温度は大気側に近づくに従い、極めて降温されてい
るため、熱媒体は第３図中２点鎖線で示されるように大
気側に近づくに従って通常土壌層６に対する放熱が進み
、ヘッダ８に取り出したときには僅かの温度差しか得ら
れないこととなる。

以上は冬期における作用につき説明したが、夏期におい
ては、例えば大気側が３０Ｃにあるときにも前記滞水層
７は１５Ｃに維持されておシ、通常土壌層６における温
度分布も前述と同様に比較的高い山型形状に形成され（
ただし、この場合は大気側に近づく程高温度の等温線で
ある。）、シたがって、滞水層７にて冷却されて大気側
との間に十分な温度差を有することとなった熱媒体は、
その温度差を維持したまま前記負荷器１１へと送られ、
負荷器１１は高出力で冷房等を行うこととなる。また、
前述では熱媒体は滞水層７において滞水層７の温度（１
５Ｃ）に略等しい程までには昇温されず通常土壌層６内
を通過（上昇）する熱媒体が通常土壌層６の温度よシも
高くなることはないものとして説明したが、熱媒体の循
環量の設定等によっては、熱媒体が滞水層７において滞
水層７の温度に略等しい温度（１５Ｃ）にまで昇温され
、通常土壌層６内を通過する熱媒体は通常土壌層６よ如
も高温度である場合もある。このような場合でも、断熱
層１２を設けることにより熱核部１４が形成され、熱媒
体と通常土壌層６との間の温度差は減少され、逆方向の
熱交換現象が極°小に抑えられ、したがって、十分な温
度差を保持したままで熱媒体が地中から取り出されるこ
ととなる。

このような本実施例によれば次のような効果がある。

断熱層１２を設けることにより熱核部１４を形成するこ
とができ、この熱核部１４の形成によシ、熱交換・９イ
ｆ５の先端側において、大気側に対して十分大きな温度
差を保有することとなった熱媒体をその大きな温度差を
保持させたままで地表２側に取出すことができるように
なった。そのため、負荷器１１を高出力で作動させるこ
とができる。

設されているため、水平方向に沿った広い範囲の滞水層
７から採熱することができるとともに、前記熱核部１４
を分散希薄化させることなく断熱層１２の下方側の１ケ
所に集中高密度化させることができる。この熱核部１４
を集中させるという事は、通常土壌層６の温度分布を示
す等温線が高い山型形状（なだらかでない山型形状）を
有するという事であり、したがって、熱交換・ぐイｆ５
０周囲の通常土壌層６の温度が滞水層７の温度に極めて
近くなり、この点からも熱媒体がその保有する温度差を
失うことがないという効果がある。

しかも、断熱層１２を設けることにょシ現われる前述し
た高い山型形状の等温線は冬期に限らず、夏期にも形成
されるところから、季節を問わず、また、種々の用途の
負荷器１１を高出力で作動させることができる。

また、熱交換パイプが建築物１の床下側に埋設されてい
るため、建築物１自体があたかも１つの断熱層としての
作用をなすとともに、前記断熱層１２は建築物１によっ
て降水等よシ保護されることとなり、断熱効果を長期間
にわたシ維持できるという効果がある。

さらに、断熱層１２を敷設するに際しては、基礎３を断
熱層１２の枠体として利用できる。そのため、断熱層１
２を特に部品化して用意する必要がなく、施工上極めて
便宜である。しかも、各熱交換パイプ５の出入端は地表
２にて集合されておシ、地表２における施工面積も小さ
くて済む。また、断熱層１２が基礎３の内周面に沿って
も設けられているため、建築物１の床下通風部における
断熱効果の向上もなされており、室内温度を床下側から
逃がさ々いという効果もある。

さらにまた、不透湿層１３が設けられているため、地中
側からの水蒸気としての放熱が阻止され、この点から不
透湿層１３自体も１つの断熱層としての作用をなすこと
ができるとともに、この不透湿層１３によって地中側か
らの水分から断熱層１２が保護されており、断熱層１２
は湿気を帯びることなく常に良好な断熱効果を保持でき
る。

次に、前記以外の実施例につき説明するが、前記第１実
施例と同−若しくは近似する部分は同一の符号を用い、
説明を省略若しくは簡略にする。

第４図には第２実施例が示され、この第２実施例におけ
る断熱層２２は床ＩＡの下端面に接するまで設けられて
おシ、断熱層２２により建築物１の床下の通風が完全に
排されている。また、ケーシング４は特に設けられてい
ないとともに、熱媒体通路９やヘラ〆８の周囲にも断熱
層２２が充填されている。このような第２実施例では、
熱交換ノＪ？イブ５の出入端やヘッダ８が保温されると
ともに熱媒体通路９をも保温されるため、この点から前
記第１実施例に比してもなお高い温度差を保有する熱媒
体を負荷器１１に送ることができるという効果がある。

しかも、断熱層２２が厚く形成されているため、その分
だけ断熱効果が大きく、また、建築物１の床ＩＡからの
放熱をも阻止し、建築物１内の冷暖房効果を高めるとい
う効果もある。

第５図には第３実施例が示され、この第３実施例では床
ＩＡの下方側の地表２には盛土、コンクリート等により
所定高さの熱抵抗層３１が設けられ、この熱抵抗層３１
と床ＩＡとの間隙に断熱層３２が充填されている。また
、断熱層３２と熱抵抗層３１との間には不透湿層１３が
介装されている。

このような第３実施例では、前記第２実施例と同様の作
用、効果を奏するほか、前記熱抵抗層３１を形成するこ
とにより多量の断熱材を要することなく地中側からの放
熱を十分有効に阻止することが容易である。

第６図には第４実施例が示され、この第４実施例では建
築物１の床下部分のうち基礎３で囲繞される１区画内の
略中央部分にケーシング４が埋設されると共に前記１区
画内にのみ断熱層４２が敷詰められている。このように
、床下部分の一部域のみに断熱層４２が設けられていて
もよく、この場合は断熱層４２の敷設工事が狭小面積で
済むため経済的であるという効果がある。

前記第１〜４実施例では、主として建築物１０床下に熱
交換／ＩＰイｆ５等を設ける場合に適した実施例であっ
たが、第７図には床下に限らず庭先、ベランダ、あるい
は通路域等、の屋外に設ける場合にも適した実施例が示
されている。この第５実施例では、ケーシング４には金
属製等の蓋５１が被せられ、ケーシング４内に断熱材５
３が充填されている。また、断熱層５２は、断面略逆コ
字形に形成されたモルタル等よりなり、地表２よシ露出
する部分には不透明色のポリスチレン等の硬質合成樹脂
材等より女る防水層を兼ねた輻射熱遮断層５４が設けら
れ、この輻射熱遮断層５４により断熱層５２の浸水を防
ぐと共に暫熱層５２の上を人が歩行するなどしても断熱
層５２が破損されないよう保護している。オた、輻射熱
遮断層５４により大気側への輻射熱の放射が阻止される
ようになっている。このように、屋外型とする場合にあ
っても、断熱層５２を設けることにより地中内の温度分
布を変化させて大気側に比して十分な温度差を有する熱
媒体をその温度差を保持したままで取外すことができる
ものである。

寿お、実施に当たり、熱交換パイプ５は必ずしも滞水層
７に達するほどの深さに埋設されなくてもよいが、滞水
層７は通常土壌層６に比してよ抄一層安定した蓄熱体で
あるとともに、熱伝達効率に本漬れているため、滞水層
７を利用すれば容易に高出力作動することができる熱交
換装置とできる。この際、要求される負荷器１１の能力
や滞水層７までの深さ等に応じて、例えば、複数の熱交
換パイプ５のうちの１部についてのみが滞水層７内に挿
入される構造等であってもよい。また、熱交換ノ９イブ
５に熱媒体を往復させるには、内管５Ａから導入して外
管５Ｂから汲み上ける場合に限らず、場合によっては外
管５Ｂから導入して内管５Ａから汲み上けても良く、要
するに熱核部１４が形成されればよい。さらに、熱交換
ノクイｆ５は二重管構造のものに限らず、往路と復路と
があれば足り、場合によっては、往路と復路とは必らず
しも峻別されない構造であってもよい。

上述のように本発明によれば、熱媒体が地中深部での熱
交換により得た温度差を減少させること力く地表側に取
出すことができ、したがって、高出力で作動させること
のできる熱交換装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明による熱交換装置の第１実施例の全体構
成を示す断面図、第２図は第１実施例の要部の拡大断面
図、第３図は前記実施例における地中内温度および熱媒
体温度の変化状態を示す線図、第４〜７図はそれぞれ第
２〜５実施例の要部を示す断面図である。 １・・・建築物、２・・・地表、３・・・基礎、４・・
・ケーシング、５・・・熱交換・臂イノ、６・・・通常
土壌層、７・・・滞水層、８・・・ヘッダ、１０・・・
ポンプ、１１・・・負荷器、１２，２２，３２，４２．
５２・・・断熱層、１３・・・不透湿層、１４・・・熱
核部、３１・・・熱抵抗層、５３・・・断熱材、５４・
・・輻射熱遮断層。 代理人　弁理士　木下實三（ほか１名）第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）負荷器と地中に埋設さ、れ九複数の熱交換パイプ
   との間を熱媒体が循環する熱交換装置において、前記熱
   交換パイプは、熱媒体の出入端が地表部に集合して配さ
   れ且つ先端側が地中内に放射状に埋設されているととも
   に、前記集合部を含む地表部には断熱層が設けられてい
   ることを特徴とする熱交換装置。 （２、特許請求の範囲第１項において、前記断熱層の地
   中側には、地中側からの水分の透過を遮断する不透湿層
   が設けられていることを特徴とする熱交換装置。 （３）特許請求の範囲第１項又は第２項において、前記
   断熱層の少なくとも一側には、地中側からの輻射熱の透
   過を遮断する輻射熱遮断層が設けられていることを特徴
   とする熱交換装置。 （４）特許請求の範囲第１項乃至第３項のいずれかにお
   いて、前記断熱層の周縁部は地中内に向って所定長だけ
   突出されていることを特徴とする熱交換装置。 （５）特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれかにお
   いて、前記集合部は建築物の床下側に配されていること
   を特徴とする熱交換装置。 （６）特許請求の範囲第５項において、前記断熱層は、
   前記建築物の基礎により画成される地表上に敷設されて
   いることを特徴とする熱交換装置。 （力　特許請求の範囲第５項又は第６項において、前記
   建築物の床下側の地表には盛土、コンクリート等により
   所定の高さの熱抵抗層を設けるとともに、この熱抵抗層
   と床との間隙に前記断熱層が充填されていることを・特
   徴とする熱交換装置。 （８）特許請求の範囲第１項乃至第７項のいずれかにお
   いて、前記複数の熱交換・ぐイブの少なくとも一部は先
   端側が地中の滞水層に達して埋設されていることを特徴
   とする熱交換装置。