JPH01269862A - 地中熱交換装置 - 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】 （技術分野） 本発明は、地熱、地中の膨大な熱容量と恒温性および大
地の保温性を充分に活用するため、深い地中を簡単かつ
有効に利用できる地中熱交換装置を提案するもので、例
えば給湯、暖房、冷房および冷凍を行なうための地中熱
交換装置に関する。

（従来技術とその問題点） 深い地中の温度は、気温にはほとんど影響されず、季節
を通じて安定していて、地下およそ６〜７ｍで一定にな
り、それより深い浅層で段々高くなる。もつと深い深層
では内部からの地熱によりさらに増大する。大地の表層
の温度は気温の変化に伴って変動するが、地下数十ｍの
浅層には、気温とは逆に夏より冬の方が高いところがあ
る。これは大地の熱伝導が非常にゆっくりしているため
で、地中の膨大な熱容量と大地の保温性によるものであ
る。すなわち、大地の表層が夏期に熱せられると、冬期
に亘って徐々に浅層も暖められ、冬期に表層が冷やされ
ると、夏期に亘って徐々に浅層も冷やされる。この熱伝
導のタイムラグによって、夏より冬の方が高くなるもの
である。また、深い地中の熱は取っても取っても集って
くる。これは地中の恒温性のためで、太陽熱や地熱を蓄
えている地中の膨大な熱容量と大地の保温性によるもの
である。地中には地下水があり、地下水によって地中の
熱容量が大きくなるとともに、熱交換が速やかに行なわ
れる。

ところが、従来技術で地中の深いところまで利用しよう
としても、熱交換媒体循環のための摩擦圧力損失が大き
く、過大な動力を必要として、著しく効率が低下すると
ともに、管路が太くなって、穿孔も大きくなり、装置が
大形化して、設置作業が大掛かりになる。そのため、コ
ストの節約にならず、豊かな自然の能力を活かした、地
中深く到達できる地中熱交換装置は実現していない。

（発明の目的） 本発明は、従来の問題点を解決して、簡単に地中の深層
まで有効に利用できる、高効率で能力の大きな地中熱交
換装置を得ることにより、地中に眠っている豊富な熱資
源を充分に活用しようとするものである。

（発明の概要） 本発明は、この目的を達成するために、気温に変化に伴
って地温の変動する、大地の表層部分は対象とせず、地
下およそ６〜７ｍ以深の浅層から深層を対象とする。従
って、本装置の達する深さは地下数十ｍから数千ｍ以上
にも及ぶ。本発明は、地中の深層まで有効に利用する方
法として、採熱サイクルと放熱サイクルを別系統とし、
採熱サイクルには、いくら深くても下部から上部に無償
で熱を運ぶ第１管を設けている。これは、温度差により
自動的に作動して液化ガスが自然循環するランニングコ
ストの全くかからない採熱管である。

従って、動力により採熱は常に上部から行なえば良いの
で、強制採熱管を地上に置くこともできるようになり、
管内の摩擦圧力損失が少なく、効率良く細い管で大量の
熱交換ができる。また、放熱サイクルは、第２管を上記
採熱サイクルとともに設け、強制採熱管部分等上部で高
温高圧蒸気を冷却液化できるため、上部で比重量が大き
くなり、上部で循環速度の減少と液体液化ガスの重量バ
ランスが得られ、わずかな圧力で効率良く地中深く放熱
することができるとともに、上部で体積が縮小されるの
で、細い管で大量の熱交換ができる。

減圧によって管底で分流滞留する潤滑油が、強制採熱管
内を循環しない場合には、受液自然採熱管を使用するこ
とにより、強制採熱管をざらに短くして圧力損失を少な
くすることができる。

その他、本発明の特徴として、強制採熱管の往管を絞り
管とし、往管内の液化ガスを液体のままで循環させて往
管を細い管にしている。また、第１管の熱交換部分には
、液滞留伝熱体を設けて、適量の液体液化ガスを適度に
滞留させ、放熱凝縮や吸熱蒸発が能率的に行なわれるよ
うにしている。

特に、受液自然採熱管は、自然採熱管の役目だけでなく
、受液機の役目もしていて、そこで液体と蒸気を分離し
て、余剰液体が管路を塞ぐのを防止し、蒸気の円滑な流
動を妨げないようにするとともに、本装置内の液化ガス
循環量も自動的（調節して本装置の始動と高速運転を容
易にしている。

以上のように、本発明は、簡単なボーリング穿孔を利用
して、いくら深くても深さに関係なく、管路の圧力損失
を少なくして動力を節約し、高い効率の高速熱交換を可
能にし、装置を構成する管を細くして、容易に高い圧力
に耐え、容易に曲げられる装置とし、容易に地中深く到
達できる地中熱交換装置を提供するものである。

本発明は、地熱を直接利用するだけでなく、太陽熱、水
中・大気中から得られる熱、おるいは冷房・冷凍によっ
て得られる熱で給湯や暖房をし、余った熱を地中に蓄え
、その熱でまた給湯や暖房をするための地中熱交換装置
である。給湯や暖房で使用済みの熱は、排水中や大気中
に放散され、地中にも返還される。このような熱が循環
するだけで物質は消費されない。

従来、物を冷やすために熱を捨て、暑さを凌ぐために熱
を捨ててきた。一方、湯を沸かすために燃料を消費し、
寒さを凌ぐために燃料を消費してきた。このように熱を
無駄にしている事実は、新たな必要性を教えている。こ
こで、本発明は大地の保温性を利用し、地中を大きな蓄
熱体として利用して、熱の過不足を調節し、あるいは地
熱を直接利用して、眼っている無尽蔵の熱資源を活用し
た地中熱交換装置を提案するものである。

（実施例の説明） 以下図示実施例について、本発明を説明する。

本発明において、「表層」とは地温が気温の変化に伴っ
て変動する範囲を、「浅層」とは動力だけで採熱できる
範囲を、「深層」とは液化ガスの自然循環によって、管
路の摩擦圧力損失を少なくして採熱できる範囲を意味す
るものとする。

第１図、第８図、第９図、第１０図、第１４図および第
１５図は、それぞれ本発明の実施例であり、第１５図の
強制採熱管は縦断面図を示す。第２図〜第７図および第
１１図〜第１３図は、その主要な部分の断面図である。

同図において、第１管１〜８自然採熱管５〜７または受
液自然採熱管８、および第２管９〜１１は、地中のボー
リング穿孔ＢＨ内に挿入されていて、管内を液化ガスが
循環する。液化ガスにはアンモニア、および上空で分解
してオゾンと反応しないフロンを使用している。これら
の管の回りには砂、砂利等の埋戻材１２が充填されてい
て、地下水の移動を容易にし、本装置の熱交換効率を高
めるとともに、穿孔８Ｈの崩れを防止しながら、これら
の管が地下水により浮力で浮き上がるのを防いでいる。

これらの管は必ずしも同−穿孔内に挿入される必要はな
く、互いに熱交換できる位置にあれば良い。

第１図、第８図、第９図、第１０図、第１４図および第
１５図において、強制採熱管１〜４は、動力により採熱
する管であり、必ず自然採熱管５〜７，８と熱交換関係
にあって、圧縮器を含む強制循環管路系をなしている。

この往復管１〜４は、減圧循環する部分の管が太くて短
いほど、摩擦圧力損失を少なくすることができる。従っ
て、自然採熱管５〜７および受液自然採熱管８（より、
できるだけ上部に自然採熱すれば、動力を節約すること
ができるとともに、本装置を小形化することができる。

第１図、第８図、第９図、第１４図および第１５図の往
管４、または第１０図の往管１゜２を絞り管とすれば、
管内の液化ガスを液体として循環できるので、°本装置
をさらに小形化できる。

強制採熱管１〜４内を循環する液化ガスに、潤滑油が含
まれていて、減圧によって、この潤滑油が管底で分流滞
留する場合には、第１図、第９図および第１５図上段の
ように、受液自然採熱管８の無い強制採熱管１〜４を使
用する。この場合、強制循環によって、川りの蓄熱部分
や自然採熱管５および第２管１０との熱交換を行なうの
で、充分な長さの強制採熱管１〜４が必要であるが、第
８図、第１０図、第１４図および第１５図下段のような
受液自然採熱管８を有する例では、熱交換は受液自然採
熱管８でも行なうことができるので、強制採熱管１〜４
を短くすることができる。

第１図、第８図、第９図、第１０図、第１４図および第
１５図において、非熱交換性の管１，４は、装置の外部
から熱の影響がないようにする断熱管で、被覆管を使用
している。第１８図および第１９図にその例を示す。第
１８図は横断面図、第１９図はに縦断面図である。管１
９は液化ガスに侵されない柔軟な管で作り、断熱材２０
には複層の発泡ポリプロピレン等を用い、被覆材２１に
は地下水に侵されない材料を使用する。

本装置を構成する管を、容易に曲げられる柔軟な可曲管
とすれば、長い管をコイル状に巻いて扱うことができる
ため、運搬や設置の作業は簡単になる。

第１図、第８図および第９図において、強制採熱管１〜
４のうち、熱交換部分の往管２の外面。

および復管３の外面と内面には表面積増大伝熱体を設け
、伝熱面積を大きくして熱交換効率を高めている。特に
、蒸発管である往管２の内面には表面積を増大した液滞
留伝熱体が設けており、適量の液体液化ガスが適度に滞
留していて、容易に気化熱を得て吸熱蒸発がしやすいよ
うにしたもので、蒸気の離脱と液体液化ガスの供給が連
続的に行なわれるようにしている。このような管の例を
第２０図および第２１図に示す。第２図にはこの管の横
断面図、第２１図はＬ縦断面図である。管２２には、液
化ガスや地下水に侵されず、熱伝導率の大きい柔軟な材
料を使用している。これは、外面に表面積を大きくした
突起２３を有し、内面の突起２４は、表面積の大きくな
っているだけでなく、直管に使用するとき、液化ガスが
流れやすく、螺旋管に使用するとき、液が滞留しやすく
なっている。

第１図、第８図および第９図のように、熱交換部分の往
管２を螺旋管とすれば、全体が一定の緩かな勾配となり
、液が滞留しやすくなるばかりでなく、同じ深さの装置
でも、伝熱面積を大きくすることができる。また、容易
に曲げられる装置とすることができるため、運搬や設置
が簡単になる。

ざらに、この螺旋管２は復管３．自然採熱管５および第
２管１０を包んでいて、それらの管との熱交換が効果的
に行なわれ、復管３内を流れる液化ガスを容易に過熱す
ることができる。

第８図、第１０図、第１４図および第１５図下段におい
て、強制採熱管１〜４に受液自然採熱管８を設けると、
この受液自然採熱管８が、廻りの蓄熱部分、第２管１０
および自然採熱管５から採熱するので、強制循環管路を
短くでき、摩擦圧力損失を少なくできる。また、往復管
１〜４内を強制循環するとき、受液自然採熱管８の上部
で液体と蒸気が分離され、蒸気の流動は円滑に行なわれ
るとともに、液化ガスを循環量が自動的に調節され、本
装置の始動と高速運転が容易に行なわれる。

往復管１〜４内で強制循環をしないときは、往復管１〜
４と受液自然採熱管８が合した合成採熱管内で、液化ガ
スが自然循環して採熱されるが、強制循環をするときは
、合成採熱管内が減圧されるので、より低い温度で強制
循環と自然循環をしながら採熱される。すなわち、液体
のある液化ガスが減圧されると、液体も蒸気も、その液
化ガスの飽和蒸気圧が、減圧された圧力に等しいときの
温度になる。

第８図の受液自然採熱管８の例を第２３図および第２４
図に示す。第２３図は合成採熱管の下部を示す第２２図
のＭ断面図であり、第２４図は第２３図のＮ断面図でお
る。第２３図と第２４図において、受液自然採熱管８の
上部に、強制採熱管の往管２の出口２５と復管３の入口
２６が連通しており、この受液自然採熱管８の外面には
表面積増大伝熱体２７．内面には表面積を増大した液滞
留伝熱体２８を有する。受液自然採熱管８の下部の液滞
留伝熱体２８はＵｌｉ用であるが、上部の液滞留伝熱体
２８は、強制循環運転中には液化ガスが減圧されて沸騰
用となり、運転停止中には液化ガスが自然循環して凝縮
用となる。凝縮用は凝縮した液化ガスが表面張力でと溜
まらないように、滞留している液体液化ガスが表面張力
を破り、連続的に導き去るようにしたものであり、沸騰
用は液体液化ガスが滞留して暖まりやすくなっていて、
蒸気の離脱と液体液化ガスの供給が連続的（行なわれる
ようにしたものである。

第１０図および第１４図において、往管１，２は、装置
内部に対しては熱交換する管となっており、絞り管であ
る。これは螺旋管でも直管でも良い。この往管１．２は
、復管３，４の液化ガスを過熱しながら、管内の液を冷
やしている。熱交換部分の復管３および受液自然採熱管
８は波形管であり、表面積を増大した、液を滞留させる
管となっている。これには、液化ガスにも地下水にも侵
されず、熱伝導率が大きくて柔軟な管である。この復管
３は液化ガスを強制循環しているときは、蒸発管および
過熱管となり、強制循環をしていないときは、凝縮管と
なる。受液自然採熱管８のない場合には、別に、独立し
た自然採熱管５が必要である。

第１５図において、熱交換部分の往管２．熱交換部分の
復管３および受液自然採熱管８は、装置の内部と熱交換
するが、装置の外部に対しては熱交換しない。しかし、
往管２．復管３および受液自然採熱管８が蓄熱部分に囲
まれている場合は、装置の外部に対しても熱交換する。

第１５図の往復管２，３内は液化ガスが強制減圧循環す
るが、絞り管である往管１から、往管２の円周に対して
接線方向に流入する液化ガスは、熱交換部分で回転しな
から復管３を経て復管４より流出する。このとぎ、液化
ガスを攪拌することにより混合潤滑油が分溜滞留するの
を防ぐ。この回転の遠心力によって液化ガスは波形管と
なっている往復管２．３の管壁に沿って回転する。この
とき、波形管２，３の細かくなっている部分が散散イ［
突起１５となり、液体欣化ガスは中心の自然採熱管５に
散布される。また、この遠心力のため、回転する液化ガ
スの外側の圧力は高くなり内側の圧力は低くなって、中
心の自然採熱管５に散布された液体液化ガスの蒸発が促
進される。

第１図、第９図および第１５図上段において、強制採熱
管１〜４内の液化ガスのサイクルを説明する。液化ガス
は、強制採熱管１〜４内を強制減圧循環する。往管２お
よび復管３内の液化ガスが吸引されて、管内が減圧され
て絞り管である往管１内の液体液化ガスは、往管２内で
気化熱を奪って蒸発し、圧力のより低い復管３内で過熱
されて出ていく。最初、液化ガスは液体と蒸気の混合し
た湿り蒸気になっているが、途中で過熱されると乾き蒸
気になり、さらに過熱蒸気になる。ここで、管内の循環
速度を水平管で４ｍ／Ｓｅｃ以上、鉛直管で８ｍ／ｓｅ
ｅ以上とすれば液化ガスとともに潤滑油を循環させるこ
とができる。

第８図、第１０図、第１４および第１５図下段において
、合成採熱管１〜４．８内の液化ガスのサイクルを説明
する。液化ガスは、合成採熱管１〜４，８内を減圧循環
および自然循環する。本装置を運転すると、減圧循環と
自然循環をし、停止すると、自然循環だけになる。減圧
循環では、液−化ガスが吸引され、管内が減圧されると
、受液自然採熱管８内の液体液化ガスと、絞り管から自
由落下する液体液化ガスが、気化熱を奪って蒸発し、過
熱蒸気となって出ていく。このとき、余剰液体液化ガス
は、受液自然採熱管８の下部に溜まる。

自然循環では、合成採熱管１〜４．８の上部の温度が下
部より低くなると、自然に循環して無償で採熱し続ける
。すなわち、受液自然採熱管８の下部には、液体液化ガ
スが溜っており、合成採熱管１〜４．８の他の部分は、
液化ガスの飽和蒸気で満たされている、液化ガスが液体
となっている範囲で温度差が生じると、対流によって自
然循環するが、液化ガスが飽和蒸気となっている範囲で
温度差が生じると、上部の温度の低い部分で飽和蒸気が
凝縮し、凝縮熱を放出して液体液化ガスとなり、自由落
下しながら：落下途中に温度の高い部分があると、そこ
で暖められて気化熱を奪い、その温度の飽和蒸気圧まで
蒸発する。このようにして、自然循環によって下部から
上部に熱が運ばれる。

第１図、第８図、第９図および第１５図において、自然
採熱管５〜７は、少なくとも下部が熱交換性の管であり
、全体が閉じた管であって、管内に液化ガスを封入した
管で、１本の管でも検数の管でも良い。自然採熱管５〜
７は、上部の温度が下部の温度より低くなると、管内の
封入液化ガスが自然循環して、下部か１５上部へ熱を運
ぶものである。第８図、第９図および第１５図のように
、自然採熱管５〜７の中間を非熱交換性の管６どするこ
とによって、途中での放熱を防止することができる。特
に、第８図のような非熱交換性の封入管７を設けると、
自然採熱管５〜７を設置した後に、地中の温度に応じて
適切な液化ガスを封入することができるとともに、自然
採熱管５〜７の上部の温度差、および液化ガスの種類の
応じて最大能力となるように封入液化ガスの量を調節す
ることができる。

自然採熱管５〜７の熱交換部分について、第１図、第８
図および第９図の場合、伝熱管は、その外面に表面積増
大伝熱体、内面に下部が液滞留伝熱体沸騰用、上部が液
滞留伝熱体凝縮用を有しているが、第１５図の場合、上
部外面に液滞留伝熱体沸騰用を有り、ている。このよう
な管の一例を第１６図および第１７図に示す。第１６図
は横断面図、第１７図はＪ縦断面図である。これらの図
において、伝熱管１６は、液化ガスや地下水に侵されな
い、熱伝導率の大きい柔軟な管であり、表面積増大伝熱
体１７は、伝熱面積を大ぎくした熱を伝えやすい突起で
あり、液滞留伝熱体１８は、容易に気化熱や凝縮熱のや
りとりができるようにした、熱を伝えやすい突起である
。なお、凝縮用および沸騰用の液滞留伝熱体は、受液自
然採熱管８のそれと同じ構造である。

第８図、第９図および第１５図のように、自然採熱管５
へ・７の中間が非熱交換性の管のときは、被復管を使用
し、その例を第１８図と第１９図に示す。これは、非熱
交換性の管１，４と同じ構造をしている。

前述の通り、自然採熱管５〜７の上下で温度差が生じる
と、すなわら、上部の温度が下部の温度より低くなると
、管内の封入液化ガスが自然循環し、無償で採熱し続け
る。これは、強制採熱管１〜４．受液自然採熱管８およ
び第２管９〜１１が作動していないときでも、独立して
作動するもので、上下の温度差がある限り絶えず作動す
るものである。

自然採熱管５〜７内の液化ガスのサイクルを説明する。

自然採熱管５〜７には、適量の液化ガスが封入され′τ
いるが、下部は液体の液化ガスが溜っており、上部は液
化ガスの飽和蒸気で満たされている。まず、液化ガスが
液体となっている範囲で温度差が生じると、滞留によっ
て温度の高い液体液化ガスは上に、温度の低い液体液化
ガスは下に移動して自然循環する。次に、液化ガスが飽
和蒸気となっている範囲で温度差が生じると、上部の温
度の低い部分で封入液化ガスの飽和蒸気が凝縮し、凝縮
熱を放出して液体液化ガスとなって自由落下する。この
自由落下する液体液化ガスは途中に温度の高い部分があ
ると、そこで暖められて気化熱を奪い、その温度の飽和
蒸気圧まで蒸発する。結局、自然採熱管５〜７は、絶え
ず管内でも最も温度の高い部分の飽和蒸気圧の液化ガス
で満たされる。このようにして、封入液化ガスは自動的
に作動し、気化熱を奪い凝縮熱を放出しながら自然循環
して熱を下部から上部へ運ぶ。この上下差は、何千ｍと
おっても無償で運び続ける。自然採熱管５〜７の能力を
決定する要素は、上下の温度差、管の材質と大きさ、管
内外の伝熱体の材質と構造および封入液化ガスの種類と
量である。

第１図、第８図、第９図、第１０図、第１４図および第
１５図において、第２管９〜１１は地中深く放熱する往
復管である。装置の外部に対して非熱交換性の往管９は
、装置の内部に対して熱交換性の管であっても良い。本
例では、この往管９は、非熱交換性の管１１とともに、
第１８図および第１９図に示す被復管を使用している。

熱交換性の管１０は、液化ガスにも地下水にも侵されな
い熱伝導率の大きい柔軟な管で、その外面に表面積増大
伝熱体を有する。この第２管９〜１１の最深部は、自然
採熱管５〜７および受液自然採熱管８が地中深く到達す
る場合には、第８図、第９図および第１５図のように途
中で折返される。

本例では、第２管内の液化ガスは高温高圧の蒸気で流入
する場合が多いが、できるだけ地表に近い位置で凝縮熱
を放出して、気体から液体に状態変化すると、液体液化
ガスの＠量バランスが得られ、加圧循環が容易になる。

第１図、第８図、第９図２第１０図、第１４図および第
１５図において、第２管９〜１１内の液化ガスのサイク
ルを説明する。前述のように、液化ガスは高温高圧の蒸
気で流入するとき、熱交換性の管１０に入ると、その廻
りの蓄熱体の熱は第１管によって採熱されて、温度が低
くなっているので、そこで凝縮熱を放出して液体液化ガ
スになる。このため、液化ガスの比重量が大きくなり、
循環速度が減少して管路の摩擦圧力損失が少なくなると
ともに、往管と復管内の液体液化ガスの重量バランスに
よって、僅かな過圧力で循環するようになる。この凝縮
した液体液化ガスの温度は、熱交換性の管１０内を循環
しながら段々低くなり、膨大な熱容量を持つ地中に放熱
されて地中の温度になっていく。地中の温度になった液
体液化ガスは、非熱交換性の管１１内を断熱的に通過し
て流出していく。この流出圧力は、往管と復管内の液化
ガスの比Ｕｌの違い、８よび循環する液化ガスが管壁か
ら受ける摩擦抵抗によって、本装置に入る時よりも少し
低くなっている。

第９図は、上部に蓄熱体１３を有する例で、蓄熱体１３
は断熱層１４に囲まれている。このように、強制採熱管
４〜４を含む蓄熱体をできるだけ上部に設けると、それ
だけ強制循環管路の摩擦圧力損失を少なくすることがで
きるので、動力を節約することができる。また、第１５
図に強制採熱管１〜４も蓄熱体内に設けることができる
。

第２５図は、本発明装置を使用したコントロールシステ
ムの例である。本発明装置は、給湯・暖房・冷房・冷凍
サイクルに接続されており、かつ太陽熱・大気熱・水中
熱集熱サイクルに接続されている。

第２５図において、自然循環管路系の２９および３０は
、暖房専用のサイクルであり、循環系に採熱コイル３１
．放熱器３２および調整弁３３を含んでいる。

第１強制循環管路系の３４．３５．３６．３７および３
８は、冷房・冷凍サイクルであり、太陽熱・大気熱・水
中熱を集熱するサイクルである。

この循環系は、圧縮器３９．給湯コイル４０．暖房コイ
ル４１２本発明装置、安全弁４２．濾過器４３、熱交換
器４４．乾燥器４５．空気仇４６゜調整弁４７．膨張弁
４８．冷却・集熱器４９および熱交換器４４を含んでい
て、この熱で給湯や暖房をして余った熱を地中に蓄える
。

第２強制循環管路系の３４．３５，５０．５１゜および
３８は、地熱や地中の蓄熱を採熱するサイクルであり、
循環系に圧縮器３９．給湯コイル４０、暖房コイル４１
２本発明装置、安全弁４２゜濾過器４３．熱交換器４４
．乾燥器４５．空気扱４６、調整弁５２．膨張弁５３．
受液器５４．調整弁５５２本発明装置、調整弁６および
熱交換器４４を含み、地中の熱で給湯や暖房をする。

調整弁４７，５２．５５および５６を自動または手動に
よって操作すれば、第１強制循環管路系と第２強制循環
管路系を平行運転することができる。

水の流れは、給水管５７から温水タンク５８を経て給湯
管５９へと流れていく。この経路に逆止弁６０および安
全弁６１を含んでおり、温水タンク５８は、下部が暖房
用温水タンク、上部が給湯用温水タンクになっている。

第２５図の矢印は、運転中の液化ガスの流れを示す。各
々の循環管路系について、液化ガスのサイクルを説明す
る。

自然循環管路系のサイクルは、暖房専用サイクルで、調
整弁３３を開くと、管路２９に溜っていた液体液化ガス
が暖房用温水タンク内の採熱コイル３１で気化熱を奪っ
て蒸発し、自然循環で管路３０を流れ、放熱器３２で凝
縮熱を放出して液体液化ガスとなり、自然循環で管路２
９内を自由落下する。この放出される凝縮熱で暖房を行
なう。

放熱器３２は幾つも並列に設けることができる。

第１強制循環管路系のサイクルは、冷房や冷凍を行なう
サイクルであり、太陽熱や大気熱および水中熱を集熱す
るサイクルでもあり、同時に、この熱で給湯や暖房をし
て、余った熱を地中に蓄えるサイクルである。

温水タンク５８内には、飲料水が供給され、温水が作ら
れるように準備されている。ここで、調整弁５２を閉じ
、調整弁４７．５５および５６を適度に開いて、圧縮器
３９を運転すると、受液器５４や強制採熱管１〜４内の
液化ガスは、地中の熱で蒸発し、圧縮器３９に吸引され
、断熱圧縮されて、圧縮器３９から膨張弁４８に至る管
路内に溜っていくが、受液器５４ヤ強制採熱管１〜４内
の液化ガスがなくなると、調整弁５５および５６を閉じ
て運転する。

この状態で運転するとき、圧縮器３９で断熱圧縮された
高温高圧の液化ガスの蒸気は、給湯コイル４０で凝縮熱
を放出し、さらに暖房コイル４１で凝縮熱を放出する。

この凝縮熱で温水が作られるが、このとき、液化ガスは
温水タンク５８の温度になって本発明装置に入り、液化
ガスの熱は本発明装置によって、地中に放熱され、地中
に蓄えられるとともに、地中の温度の液体液化ガスとな
って本発明装置を出ていく。地中の温度となった液体液
化ガスは、熱交換器４４出熱交換され、過冷却されて、
さらに温度の低い液体液化ガスとなって膨張弁４８に達
する。途中の安全弁４２．濾過器４３．乾燥器４５およ
び空気後４６は、システム内の異常高圧を防ぎ、異物・
水分・空気を取り除いている。

膨張弁４８で断熱膨張した液体液化ガスは、冷却・集熱
器４９内で気化熱を奪って蒸発し、熱交換器４４で過熱
蒸気となって、圧縮器３９に吸引されていく。このとき
、冷却・集熱器４って冷房・冷凍の効果は得られるとと
もに、太陽熱・大気熱・水中熱が集熱される。この冷却
・集熱器４９は放熱器３２と同様に、何台も並列に設け
ることができる。

温水タンク５８の上部の給湯用温水タンクの温度は充分
高くなると、液化ガスは給湯コイル４０内を高温高圧蒸
気のままで通過し、下部の暖房用温水タンク内の暖房コ
イルで凝縮熱を放出するようになる。しかし、この暖房
用温水タンクの温度も充分に高くなると、液化ガスは、
本発明装置まで、高温高圧蒸気となる。こうして、圧縮
器３９から本発明装置に至る管路が高温高圧蒸気で満た
されると、液化ガスの体積が大きくなり、液化ガスが余
ってくるので、自動または手動により、調整弁５２を開
くと、受液器５４に余った液体液化ガスが蓄えられる。

第２強制循環管路系のサイクルは、地中の熱によって給
湯や暖房を行なうサイクルであり、第１強制循環回路系
のサイクルと並行運転することもできる。

温水タンク５８内には、飲料水が供給され、温水が作ら
れるように準備されている。ここで、調整弁４７を閉じ
、調整弁５６を全開し、調整弁５２と５５を適度に開い
て、圧縮器３９を運転すると、受液器５４や強制採熱管
１〜４内の液化ガスは地中の熱で蒸発し、圧縮器３９に
吸引され断熱圧縮されて、圧縮器３９から膨張弁５３に
至る管路内に溜っていく。

この状態で、自動または手動によって調整弁５２と５５
を調整して運転すると、第１強制循環系回路と同じサイ
クルで、温水が作られ、液体液化ガスが過冷却される。

この過冷却された液体液化ガスは膨張弁５３で断熱膨張
し、本発明装置内で気化熱を奪って蒸発して、熱交換器
４４で過熱蒸気となって圧縮器３９に吸引されていく。

このとき、地中の熱が採熱される。

調整弁４７を適度に開き、調整弁５２を適度に閉じると
、冷却・集熱器４９も機能し、太陽熱等を集熱しながら
平行運転をすることができる。また、温水タンク５８内
の温水の温度は充分に高くなると、余剰液体液化ガスが
生じてくるが、調整弁５２と５５を適度に調整すること
によって、この余剰液体液化ガスを受液器５４内に蓄え
ることができる。

ざらに、第２６図および第２７図において、第２６図は
横断面図、第２７図上部は、第２６図のＰ縦断面図、第
２７図下部は内管の側面図である。

これは、自然採熱管５，６および受液自然採熱管８の例
であり、内管に有孔気分雌管６２が使用されている例で
ある。外管１６は、その外面に表面積増大伝熱体１７を
有し、その内面に螺旋状の液滞留伝熱体１８を有してい
る。外管」６と有孔気液分離管６２との間は、自然採熱
管の上部で凝縮した液体の液化ガス６６が液滞留伝熱体
１８に沿って螺旋状に落下する。液体液化ガス６６は、
落下の途中で外管１６から熱を奪って気化し、孔６３か
ら有孔気液分離管６２の内部へ入っていく。

第２７図中の矢印は、気化した液体液化ガスの流れる様
子を示している。こうして、有孔気液分離管６２は、気
体と液体を分離する。有孔気液分離管６２は、断熱材で
作られていて、この管の外部を落下する冷たい液体液化
ガスと、この管の内部−を上昇する暖かい気体液化ガス
を熱的に遮断し、気体液化ガスの温度を常に高い温度に
保持する。

この内管は、非熱交換部分では、当然無孔断熱管となる
。第２７図の有孔気液分離管６２の孔６３について、外
面間口６４よりも内面開口６５の方が高い位置にあるた
め、液体液化ガス６６は常に有孔気液分離管６２の外部
を落下する。このようニジて、暖かい気体液化ガスの熱
は、冷たい液体液化ガスに奪われることなく、自然採熱
管の下部の温度を上部で得ることができる。

（効果） このように本発明は、地熱を直接利用するだけでなく、
太陽熱や大気・水中から得られる熱、および冷房・冷凍
によって得られる熱で給湯や暖房をし、余った熱を地中
に蓄え、その熱でまた給湯や暖房をすることができる。

ざらに、本発明は、液滞沼伝熱体の使用によりいくら深
いところからでも有効にかつ無償で採熱できる自然採熱
管と絞り管を有する第１管と、液化ガスを上部で液体と
することによって僅かな加圧力で深層まで効率良く放熱
できる第２管と、を地中の簡単な穿孔内に挿入するもの
で、管路の摩擦圧力損失を少なくした高効率の地中熱交
換装置を得ることができる。これによって、大地の膨大
な熱容量と保温性を利用して、排熱や太陽熱等を蓄え、
熱の過不足を調節し、あるいは地熱を直接利用すること
ができるようになり、とりわけ、給湯・暖房・冷房・冷
凍サイクルの成績係数を飛躍的に増大することができ、
眠っている無尽蔵の資源を活用することができる。

また、本発明は、液滞留伝熱体と有孔気液分離管の使用
により、いくら深くても、浅層から深層まで隈なく効率
的かつ無償で採熱できる自然採熱管と：液化ガスを上部
で液体とすることにより、僅かな加圧力で浅層から深層
まで効率良く放熱できる第２管を：地中の簡単な穿孔内
に挿入するもので、強制採熱管を短くすることにより、
管路の摩擦圧力損失を少なくした高効率の地中熱交換装
置を得ることができる。これによって、大地の膨大な熱
容量と保温性を利用し、地熱を直接利用して、夏は冷房
・冷凍時の排熱や集熱器の熱で湯を沸かして余った熱を
地中に蓄え、冬は地中の熱で湯を沸かしながら暖房する
ことができる。これは、夏の暑さを冬の暖かさに活用し
、冬の寒さを夏の涼しさに活用するとともに、眠ってい
る無尽蔵の熱資源を活用するものであり、恵みの太陽エ
ネルギーと豊かな自然の能力を有効に利用して、我々が
必要とする熱の過不足を調節することにより、新たに消
費するエネルギーを節約することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る地中熱交換装置の第１の実施例を
示す正面図、第２図、第３図、第４図。 第５図、第６図および第７図はそれぞれ第１図に示すへ
断面図、Ｂ断面図、Ｃ断面図、Ｄ断面図。 Ｅ断面図およびＦ断面図、第８図、第９図および第１０
図はそれぞれ本発明の第１ないし第４の実施例を示す正
面図、第１１図、第１２図および第１３図はそれぞれ第
１０図に示すＧ断面図、Ｈ断面図および■断面図、第１
４図は本発明の第５の実施例を示す正面図、第１５図は
本発明の第６の実施例を示し、強制採熱管部分に縦断面
図を含む正面図、第１６図は第１図、第８図、第９図お
よび第１５図に示す自然採熱管の熱交換性の管の例を示
している拡大横断面図、第１７図は第１６図に示すＪ拡
大断面図、第１８図は第１図、第８図。 第９図、第１０図、第１４図および第１５図に示す非熱
交換性の管または非熱交換性の部分の例を示している拡
大横断面図、第１９図は第１８図に示すに拡大縦断面図
、第２０図は第１図、第８図および第９図に示す強制採
熱管の熱交換部分の例を示している拡大横断面図、第２
１図は第２０図に示すし拡大縦断面図、第２２図は第８
図に示す合成採熱管の果報部を示している部分正面図、
第２３図は第２２図に示すＭ拡大縦断面図、第２４図は
第２３図に示すＮ拡大縦断面図、第２５図は本発明に係
る地中熱交換装置の使用例を示す概略図、第２６図は横
断面図、第２７図上部は、第２６図のＰ縦断面図、第２
７図下部は内管の側面図である。 １・・・強制採熱管の装置の外部に対し゛Ｃ非熱交換性
の往管 ２・・・強制採熱管の熱交換部の往管 ３・・・強制採熱管の熱交換部分の往管４・・・強制採
熱管の装置の外部に対して非熱交換性の復管 ５・・・自然採熱管の熱交換性の管 ６・・・自然採熱管の非熱交換性の部分７・・・自然採
熱管の非熱交換性の液化ガス封入管８・・・受液採熱管 ９・・・第２の装置の外部に対して非熱交換性の往管 １０・・・第２管の熱交換性の管 １１・・・第２管の非熱交換性の管 １２・・・埋戻材 ８Ｈ・・・地中のボーリング穿孔 ＧＬ・・・地表面 １３・・・蓄熱体 １４・・・断熱層 １５・・・散散イ［突起 １７・・・表面積増大伝熱体または液滞留伝熱体１８・
・・液滞招伝熱体 ３２・・・放熱器 ３９・・・圧縮器 ４４・・・熱交換器 ４１・・・冷却・集熱器 ５４・・・受液器 ５８・・・温水タンク

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、互いに熱交換関係にある、強制採熱管と自然採熱管
   より成る第１管と、 非熱交換性の管と、熱交換性の放熱管より成る第２管と
   で構成され、 第１管の自然採熱管と第２管を地中にボーリングした穿
   孔内に挿入して、 液化ガスが、強制採熱管内を減圧循環し、自然採熱管内
   を自然循環し、放熱管内を加圧循環することを特徴とす
   る地中熱交換装置。 ２、自然採熱管が、閉じた管である請求項１記載の地中
   熱交換装置。 ３、自然採熱管が、強制採熱管と連通した受液採熱管で
   あることを特徴とする請求項１記載の地中熱交換装置。 ４、自然採熱管が、その途中に、非熱交換性の管を有し
   ていることを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに
   記載の地中熱交換装置。 ５、自然採熱管が、その内部に気体と液体を分離する断
   熱性の有孔気液分離管を有することを特徴とする請求項
   １ないし４のいずれかに記載の地中熱交換装置。 ６、有孔気液分離管の管壁を貫通する孔について、この
   管の外面側開口よりも内面側開口の方が高い位置である
   ことを特徴とする請求項５記載の地中熱交換装置。 ７、強制採熱管が、地中にボーリングした穿孔内にある
   請求項１ないし６のいずれかに記載の地中熱交換装置。 ８、強制採熱管が、地中にあり、断熱層で囲まれている
   請求項１ないし６のいずれかに記載の地中熱交換装置。 ９、強制採熱管が、その廻りに、蓄熱体を有しているこ
   とを特徴とする請求項８記載の地中熱交換装置。 １０、強制採熱管の往管が、絞り管である請求項１ない
   し９のいずれかに記載の地中熱交換装置。 １１、熱交換部分が、螺旋状である請求項１ないし１０
   のいずれかに記載の地中熱交換装置。 １２、地中挿入管が、可曲管である請求項１ないし１１
   のいずれかに記載の地中熱交換装置。 １３、強制採熱管が、液散布突起を有することを特徴と
   する請求項１無いし１２のいずれかに記載の地中熱交換
   装置。 １４、第１管が、その熱交換部分に液滞留伝熱体を有し
   ていることを特徴とする請求項１ないし１３のいずれか
   に記載の地中熱交換装置。 １５、熱交換性の管が、その熱交換面に表面積増大伝熱
   体を有する請求項１ないし１４のいずれかに記載の地中
   熱交換装置。