JPS59131854A - 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太陽熱および地中熱を利用す
る熱交換装置に関する。

一般家庭用の給湯、暖房等のように比較的低温度の加熱
需要に対し、我々の身近にある太陽熱や地中熱を熱源と
して利用する熱交換装置が、省エネルギー化の要請に応
するものであるところから近時注目され、また、実用化
されつつある。このような熱交換装置として、集熱板に
より太陽熱を熱媒体に集めて熱媒体を加熱する太陽熱集
熱器が備えられたものが既によく知られているが、例え
ば冬期の日照時では太陽熱集熱器で得られた熱エネルギ
ーの全てが負荷器で消費されないことも多−２＝ く、余剰の熱エネルギーは専ら大気中に放出されてし甘
うものであった。捷だ、蓄熱槽が備えられ、この蓄熱槽
により余剰エネルギーが蓄えられる装置もあるが、この
ような装置にあっても、熱需要の増加する夜間に十分な
熱エネルギーを供給できるものではなかった。しかも、
前記蓄熱槽は太陽熱で加熱された熱媒体を保温槽等に単
に一旦貯槽するものであり、太陽熱集熱器における集熱
効率自体を特に向上させるものではなかった。

ところで、地層が大容量の蓄熱体であり大気側に対して
極めて安定した温度に維持されている点に着目し、内部
に熱媒体が往復する構造の熱交換・セイプを地中内に埋
設してこの熱交換パイプを用いて地中熱を積極的に採熱
する装置も既に知られている。しかしながら、地中温度
は地底側から地表側に至るに従い漸次大気温朋に近づく
温度分布を有しており、熱交換・母イブの先端（地中最
深部）１０１１にて地中側と熱交換して大気温度に比し
十分な温度差を保肩することとなった熱媒体も、熱交換
パイプ中を上昇する間に地表部に至るに従って地中側と
の間で前記先端にて行なわれた熱交換とは逆方向の熱交
換を行うこととなってし捷い、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を得ることかで＠々
い等の難点を有していた。

本発明の目的は、太陽熱集熱器においては集熱効率を向
上させるとともに熱交換パイプにおいては熱媒体が地中
深部での熱交換により得た大気側に対する十分大きな温
度差を減少させることなく地表部側に取出すことができ
、太陽熱および地中熱の双方を有効に利用して日照時、
非日照時等を問わず負荷器に必要に応じて常に十分な仕
事を行なわせることのできる熱交換装＃を提供するにあ
る。

本発明は、太陽熱集熱器と、負荷器と、地中内に埋設さ
れた熱交換・母イブと、熱交換ノ！イグの埋設域の地表
部に設けられた断熱層と、を具備させるとともに、熱媒
体が前記太陽熱集熱器、負荷器、および熱交換パイプ相
互間に適宜径路で循環されるよう構成し、前記太陽熱集
熱器で昇温させた熱　３− 媒体で負荷器に仕事をさせた後熱交換・ぐイノ内に前記
熱媒体を通じて熱媒体を更に降温させた後再び太陽熱集
熱器に戻すようにする等して十分に冷却された熱媒体を
太陽熱集熱器に戻して太陽熱集熱器における集熱効率を
向上させ、一方、熱媒体が前記太陽熱集熱器で得た熱エ
ネルギーのうち前記狗荷器で消費されなかった余剰エネ
ルギーを熱交換・母イブ内に導入して地中内に一旦放出
させ、この際、前記断熱層によって地中側と大気側との
熱交換を阻止して地中内に放出された余剰エネルギーが
地中内に確実に蓄積されるようにし、これにより熱媒体
が熱交換・やイブの先端（地中深部）側で得た大気側に
対して十分大きな温度差を減少させることなく地表部側
に取出せるようにし、さらに、余剰エネルギーを地中内
に蓄積することにより熱媒体の保有する温度差を維持さ
せるだけに留まらず、必要により地中内に蓄積した余剰
エネルギーを前記熱交換・ぐイブにより積極的に採熱し
て前記負荷器の利用に供することも可能にして、前記目
的を達成しようとするものである。

　４− 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／一実施例が示
されている。図中、一般住宅等の建築物ｌは地表２に植
設された基健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型ボックス状
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・量イｆ５の出入端が集合して配置されている。

熱交換・９イブ５は、ケーシング４より地中内に向って
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）＠６を通過して滞水層７に達している。

各熱交換パイプ５は、第２図に示されるように内管５Ａ
および外管５Ｂを有する二重管構造として構成され、内
管５Ａおよび外管５Ｂの一方を熱媒体の往路とするとき
は他方を復路とし、他方を往路とするときは一方を復路
とするようになっている。各熱交侯・七イグ５の内置５
Ａは、第１のヘッダ（集配器）８Ａにより互いに連結芒
扛、外管５Ｂは第２のヘッダ８Ｂにより互いに連結され
ており、これらへラダ８Ａ、、８Ｂは共にケーシング４
内に配置されている。

前記建築物１の基礎３により画成される（四重れる）地
表２には、断熱ＩＯ＃９が設けられている。

この［熱１＋に＆９け、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９０周縁部は
前記基イ鎗３の内周面にも貼設されでいる。

また、断熱層９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かる不透湿層１１が介装され
ており、この不透溝層１１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。

捷た、建築物１の屋根ＩＢ上に一太陽熱集熱器１２が１
Ｈ７ｌえられている。この集熱器１２の熱媒体の入口側
は径路１３を介して第１の三方切換弁１４の第］ポー）
１４Ａに接続され、出口側は径路１５を介して前記弁１
４の第２ボート１４Ｂおよびヒートポンプ、給湯器、暖
房器、冷却器、冷水器等の負荷器１６０入ロ側に接続さ
れている。

負荷器１６の出口側は第２の三方切換弁１７の第１ｉ？
−）１７ＡＫ接続され、第２の三方切換弁１７の第２ボ
ート１７Ｂは四方切換弁１８の第１ポート１８Ａに接続
されている。四方切換弁１８の第２ボート１８Ｂは径路
１９を介して前記第１のへラダ８Ａに接続され、一方、
前記第２のヘッダ８Ｂは径路２１を介して四方切換弁１
８の第４ポー）１８Ｄに接続されている。また、四方切
換弁１８の第３ポート１８Ｃは径路２２を介して前記第
２の三方切換弁１７の第３ポー）１７Ｃおよびポンプ２
３の吸引側に接続され、ポンプ２３の排出側は前記第１
の三方切換弁１４の第３ボート１４Ｃに接続されている
。なお、前記四方切換弁１８においては、第１および第
２ポート１８Ａおよび１８Ｂ１第３および第４ポー）１
８Ｃおよび１８Ｄが各々連通されるとともに、弁体の回
転により連通関係が切換わると第１および第４ボート１
８Ａおよび１８Ｄ１第２および第３ボート１８Ｂおよび
１８Ｃが各々連通されるよう構成されている。

次に、本実施例の作用につき説明する。

冬期の日照時は、第１の三方切換弁１４においては第１
．第３ボート１４Ａ、１４Ｃを、第２の三方９．１弁１
７においては第１．第２ボート１７Ａ。

１７Ｂを、四方切換弁１８においては第１．第４ポート
１８Ａ、１８Ｄを、また、第２．第３ポート１８Ｂ、１
８Ｃを、各々連通させる。これにより熱媒体は太陽熱集
熱器１２→負荷器１６→熱交換・９イｆ５の外管５Ｂ→
内管５Ａ→ポンｆ２３→太陽熱集熱器１２の順路で循環
される。

このように循環される熱媒体は、太陽熱集熱器１２にお
いて加熱され例えば１８Ｃ〜２５０程度に昇温された後
負荷器１６に仕事を行なわせるが、冬期といえども日照
時は熱％６要の少ないことが多く、前記熱媒体は負荷器
１６ではさほど降温されず、多くの余剰エネルギーを保
有して前記外管５Ｂ内へと導入されることとなる。この
余剰エネルギーは外管５Ｂ内を下降する熱媒体から通常
土壌層６へと放出されるが、太陽熱集熱器１２で昇温さ
れた熱媒体の温度と通常土壌層６の温度との差は、熱媒
体が負荷器１６を径でいても大きく、例えば大気温度が
ＩＯＣで地表２近傍の通常土壌１輪６の温度もそれに近
いものであれば、８Ｃ〜１５Ｃである。したがって通常
土壌層６内を下降する熱媒体は急冷され、一方、通常土
壌層６は余剰エネルギーを受は取り隔温化することとな
る。

通常土壌）彎６の受は取った余剰エネルギーは、断熱層
９が設けられ力い場合であれば通常土壌層６から更に大
気側へと放出されるため通常土壌層６の温度分布に大き
な影響を与えることはないが、本実施例では断熱層９に
より大気側への放熱が阻止されている。そのため、熱媒
体が通常土壌層６に放出した余剰エネルギーは通常土壌
層６内に遂次蓄積されていき、通常４時間和度を径だ後
には断熱層９の下方側に高温度領域である熱核部３１が
形成されるとともに通常土壌層６は、第１図に示される
ような、ケーシング４側を頂点とする高い山型形状の等
温線で表わされる温度分布を有することとなる。この４
時間程度の時間というのは、好都合なことに冬期におけ
る平均的日照時間に略等［７く、また、この温度分布は
夜間に至っても維持される。なお、通常土壌層６の温度
は、滞水層′　　　７と略等しい温度、あるいは滞水層
７に近い温度にまで昇温されることが通常であるが、日
照時間や熱媒体の循環量等によっては、滞水層７よりも
更に高温度化されることもある。ただし、いずれにして
も通常土壌層６の保翁する熱エネルギーは断熱層９によ
って夜間まで十分維持される。また、通常土壌層６には
熱核部３１が形成されることとなる。

通常土壌層６に余剰エネルギーを放出した熱媒体は滞水
層７に至る。この滞水層７は通常土壌層６に比し極めて
大きな熱容量を有し、昼夜を通じてだけでなく年間を通
じて略１５Ｃ程度に維持されている。滞水層７に至った
熱媒体は通常土壌層６で既に急冷されているため滞水層
７と略等し７い温度にまで降温しでおり、しだがって、
熱媒体と滞水層７との間での熱交換は僅かである。

滞水層７と略等しい温度（１５Ｃ）に降温された熱媒体
は、熱交換・母イア′５０内看５Ａを通り、通常土壌１
−６との間で熱交換することなく地表２側に汲み上けら
れて再び太陽熱集熱器Ｊ２へと導入される。すなわち、
太陽熱集熱器１２には通常土壌層６で急冷された熱媒体
が導入されることとなり、負荷器１６から太陽熱集熱器
１２に熱媒体を直接戻す場合に比べて集熱効率が格段向
上することとなる。また、大気温度が１０［であれば集
熱器１２に導入される熱媒体と大気側との温度差は５Ｃ
程度であり、熱媒体から大気側への熱放出は僅かである
が、負荷器１６から集熱器１２へと熱媒体を直接戻すと
きには熱媒体と大気側との温度差も大きくなり、それに
伴い大気側への熱放出も増大する。

冬期の夜間（非日照）時は、第１の三方切換弁１４にお
いては第２．第３ポート１４Ｂ、１４Ｃを、第２の三方
切換弁１７においては第１．第２ポー）　１７Ａ、１７
Ｂを、四方切換弁１８においては第１、第２Ｉ−トＩＢ
Ａ、１８Ｂを、また、第３．第４ポート１８Ｃ，１８Ｄ
を、各々連通させる。これにより熱媒体は、負荷器１６
→熱交換・等イア°５の内管５Ａ→外管５Ｂ→ポンｆ２
３→負荷器１６の順路で循環される。

このように循環される熱媒体は、負荷器１６に仕事を行
なわせて自らは降温した後、熱交換バイア″５の内管５
Ａに導入されて滞水層７に達するが、途中通常上＃］Ｊ
１１６との間で熱交換はほとんど行なわず、パイプ５の
先端にて外管５Ｂに流入した後に滞水層７との間で熱交
換を行う。

滞水層７から熱を受は取り、大気側に比して大きな温度
差を保有することとなった熱媒体は通常土壌層６内を上
昇するが、この通常土壌層６には前述のように熱核部３
１を有する温度分布が形成されている。したがって、前
記温度差を減少させるような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はほとんどなく、通常土壌
層６が滞水層７よりも高温度になっている場合にあって
は、熱媒体は通常土壌層６からも熱を受は取り更に昇温
することとなり、いずれにしても、大気側に比して大き
な温度差を保有する熱媒体が地表２側に汲み上げられ、
この熱媒体により負荷器１６は高出力で作動される。

地中内に熱媒体をイ１１￥環させる必要のない時には、
第１の三方切換弁１４においては第１．第３ポート１．
４Ａ、１４Ｃを、第２の三方切換弁１７においては第１
．第３ポート１７Ａ、１７Ｃを、各々連通させて熱媒体
を太陽熱集熱器１２→負荷器１６→ポング２３→太陽熱
集熱器１２の順路で循環させる。

熱核部３１が既に形成されあるいは負荷器１６における
熱需要が大きい日照時等にあっては熱媒体をこのように
循環させてもよい。

以上、冬期について説明したが夏期にあっても前述と同
様の運転方法により太陽熱集熱器１２における集熱効率
が向上されるとともに非日照時にも負荷器１６が高出力
で作動されることとなる。

このような本実施例によれば、負荷器１６を径た熱媒体
を太陽熱集熱器１２に直接戻すのでなく通常土壌層６に
て一旦冷却した後に戻すことができ、したがって、太陽
熱集熱器１２における集熱効率を向上させることができ
る。しかも、低温度化した熱媒体を集熱器１２に尋人す
るために導入の際に大気側への放熱も少々〈熱の有効利
用がほからねる。

ｎだ、太陽熱集熱器１２による採熱が期待できない時に
も油水層７から長期安定的に採熱して負荷器１６を作動
させることができる。しかもこの場合、断熱層９を設け
て熱核部３１を形成することにより、熱媒体が滞水層７
で得た熱エネルギーは通常土壌層６へと放出され、るこ
とかなく、通常土壌層６（熱核部３１）の保有する蓄熱
針によっては熱媒体は通常土壌層６からも熱エネルギー
を受は取ることもできる。なお、主として通常土壌層６
から採熱しようとする場合には、熱媒体を熱交使・平イ
ｆ５の外管５Ｂから導入して内管５Ａから汲み上げても
よい。

なお、実施にあたり、熱交換パイプ５は必らずしも滞水
層７に達するものでなくともよいが、滞水層７に達する
場合は滞水層７から長期安定的に採熱することができる
という効果がある。

また、各熱交換・やイゾ５は、出入端が地表２側に集合
され且つ地中内に向って放射状に埋設されているものと
したが、このような状態に埋設されていなくともよい。

ただし、このように埋設されている場合は、地表２側に
おける施工面積が少なくてよいばかりでなく、水平方向
に沿った広範囲の滞水層７から採熱することができると
ともに、前記熱核部３１を分散希薄化させることなく断
熱１曽９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３１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搗練が高い山型形状（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、熱交換パイプ５の周囲の通常土壌層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いにくいという効果がある。

また、熱交換パイプ５は二重管構造であり、往路と復路
とが適宜切換わるものとしたが、例えば往路は常に外管
５Ｂであり復路は常に内管５Ａであってもよい。ただし
、切換可能であれば熱核部３１を形成しやすく且つ滞水
層７からの採熱を行いやすい運転が容易である。さらに
、二重管構造以夕）の構造でもよいが、二重管構造であ
れば往路ふ−よび復路のいずれか一方については地中側
と熱交換を行いにくくすることができるため地中側との
間で採熱、放熱を目的に応じて行なわせる上で便宜であ
る。

壕だ、前記切換操作は手動により、あるいはタイマー等
の時間操作により行なわせてもよいが、大気側、通常土
壌層６、および滞水層７に各々温度センサ３２，３３、
および３４を設け（第１図参照）、これら各センサ３２
〜３４の信号に基づき自動切換されるものであってもよ
い。

さらに、不透湿層１１は必らずしも必要ではないが、不
透湿ｌ−１１があれば地中側からの水蒸気として■ｌ放
熱が阻止され、この点から不透湿層１１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１１によって地中側からの水分から断熱層９が保
膿されており、断熱層９は湿気を帯びることなく常に良
好力断熱効果を保持できる。

さらにまた、熱交換パイプ５や断熱層９は建築物１０床
下側に設けられる場合に限らす、庭先、ベランダ、通路
等の屋外に設けられていてもよく、屋外に設けるときに
は断熱層９をモルタル等の十分な強度を有する材料より
形成するとともに、特に夜間天空への地中側からの輻射
熱の透過を遮断する不透明樹脂板、金属箔、金属板等の
輻射熱遮断層を設ける等してもよい。

上述のように本発明によれば、太陽熱集熱器においては
集熱効率を向上させるとともに熱交換・平イゾにおいて
は熱媒体が地中深部での熱交換により得た大気側に対す
る十分太き々温度差を減少させることなく地表部側に取
出すことができ、太陽熱および地中熱の双方を有効に利
用して日照時、非日照時等を問わず負荷器に必要に応じ
て常に十分な仕事を行なわ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一実施例の全体構成
を示す断面図、第２図は前記実施例の要部を示す拡大断
面図である。 １・・・建築物、２・・・地表、５・・・熱交換パイプ
、５Ａ・・・内管、５Ｂ・・・外管、６・・・通常土壌
層、７・・・滞水層、ＯＡ、８Ｂ・・・ヘッダ、９・・
・断熱層、１２・・・太陽熱集熱器、１４．１７・・・
三方切換弁、１６・・・負荷器、１８・・・四方切換弁
、２３・・・ポンプ、３１・・・熱核部、３２，３３．
３４・・・温度センサ。 代理人　弁理士　木下實三（ほか１名）１９− 第２図 −３０５−

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 （１）太陽熱集熱器と、負荷器と、地中内に埋設された
   熱交換パイプと、熱交換パイプの埋設域の地表部に設け
   られた断熱層と、を有し、熱媒体が前記太陽熱集熱器、
   負荷器、および熱交換パイプ相互間に選択的に循環され
   るよう構成されていることを％徴とする熱交換装置。 （２、特許請求の範囲第１項において、前記熱交換パイ
   プの先端側は地中の滞水層に到達し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項または第２項において、前
   記熱交換パイプは複数本設けられ、これら複数本の熱交
   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、前記熱交換パイプは二重管構造であ−　１−　　
   　　　　　　　　　　　　　　　　　　　〇〇〇るとと
   もに熱媒体の往路と復路とが適宜切換わるよう構成され
   ていることを％徴とする熱交換装置。 （５）特許請求の範囲第４項において、前記往路と復路
   との切換えが地中内に埋設された温度センナの信号に基
   づき操作されるよう構成されていることを特徴とする熱
   交換装置。