JPH11182942A - 地中熱交換器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 埋設用坑の必要径を小さくする。 【解決手段】 熱媒Ｒを対地熱交換させる伝熱管とし
て、熱媒Ｒを地表側から地中深部へ向けて通過させる往
管２ａ，２ｂと、この往管２ａ，２ｂを通過した熱媒を
地表側へ向けて通過させる復管２ｃ，２ｄとを設ける地
中熱交換器において、２本を往管とし、かつ、他の２本
を復管とする互いに平行な４本の構成管２ａ〜２ｄを、
管横断面視において、隣合う構成管の中心間距離ｄが全
て等しく、かつ、それら構成管２ａ〜２ｄの各々が両隣
の構成管どうし間の間隙に一部入り込む状態に配置した
構造とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、地中からの採熱や
地中への放熱を行う地中熱交換器に関し、詳しくは、熱
媒を対地熱交換させる伝熱管として、熱媒を地表側から
地中深部へ向けて通過させる往管と、この往管を通過し
た熱媒を地表側へ向けて通過させる復管とを設ける地中
熱交換器に関する。

【０００２】

【従来の技術】この種の地中熱交換器は、往管と復管の
各々を対地熱交換用の伝熱管にして通過熱媒を対地熱交
換させることから、例えば、二重管構造における内側流
路と外側流路との一方を熱媒の往路とし、かつ、他方を
熱媒の復路とする二重管式の地中熱交換器に比べ、流路
断面積との比率として対地伝熱面積を大きく確保できる
利点があるが、従来、この種の地中熱交換器について
は、器体の埋設施工を容易にしながら大きな対地伝熱面
積を得ることを目的に、図１２や図１３に示す如く、２
本の往管２ａ，２ｂと２本の復管２ｃ，２ｄを設けてＵ
字型熱交換器の２組を一体化した構造のものが開発され
ている。

【０００３】つまり、この一体化により、２つの熱交換
器を埋め込む坑を１坑で済ませられるようにして器体の
埋設施工を容易にしながら、２本の往管２ａ，２ｂと２
本の復管２ｃ，２ｄとの計４本の伝熱管をもって大きな
対地伝熱面積を得るようにしたものである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、同図１２，図
１３に示す従来構造では、埋設用坑を１坑で済ませ得る
ものの、１つのＵ字型熱交換器を埋め込む坑や前記の二
重管式熱交換器を埋め込む坑に比べ、坑の必要径が大き
くなり、この点、坑掘削の負担を軽減して器体の埋設施
工を一層容易する上で未だ改善の余地があった。

【０００５】この実情に鑑み、本発明の第１の課題は、
合理的な器体構造を採用することにより、対地熱交換用
の伝熱管として２本の往管と２本の復管を備える構成を
採りながら、その埋設に要する坑の必要径を小さくする
点にある。

【０００６】また、本発明の第２の課題は、器内の熱媒
通過を円滑なものに維持しながら上記第１の課題を達成
する点にあり、さらにまた、本発明の第３の課題は、器
体の製作を容易にしながら上記第１又は第２の課題を達
成する点にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】〔１〕請求項１記載の発
明では、熱媒を対地熱交換させる伝熱管として、熱媒を
地表側から地中深部へ向けて通過させる往管と、この往
管を通過した熱媒を地表側へ向けて通過させる復管とを
備える地中熱交換器を構成するのに、２本を往管とし、
かつ、他の２本を復管とする互いに平行な４本の構成管
を、管横断面視において、隣合う構成管の中心間距離が
全て等しく、かつ、それら構成管の各々が両隣の構成管
どうし間の間隙に一部入り込む状態に配置する。

【０００８】つまり、この構成によれば、先述の図１２
や図１３に示す従来器、すなわち、隣合う構成管の中心
間距離が全て等しい状態で両隣の構成管どうし間の間隙
に一部入り込む構成管が存在せず、４本の構成管が単に
離散状態に配置されただけのものに比べ、４本の構成管
の配置の集約により器体の外周径を小さくすることがで
き、これにより、２本の往管と２本の復管を対地熱交換
用の伝熱管とする構成で全体としての対地伝熱面積を大
きく確保しながらも、その器体を埋め込む坑の必要径を
従来器に比べ小さくすることができ、坑掘削の負担を軽
減できる。

【０００９】そして、このことにより、埋設用坑を１坑
で済ませ得る利点と相まって、器体の埋設施工を一層容
易にすることができ、また、そのことで埋設施工の工事
費も低減することができる。

【００１０】なお、４本の構成管を、管横断面視で、隣
合う構成管の中心間距離が全て等しく、かつ、それら構
成管の各々が両隣の構成管どうし間の間隙に一部入り込
む状態に配置するにあたり、各構成管に同径のものを用
いる場合、それら構成管の管中心が管横断面視で正方形
の各頂点に対応位置するように各構成管を配置すれば、
器体の外周径を一層効果的に小径化することができる。

【００１１】また、構成管の各々を両隣の構成管どうし
間の間隙にどの程度入り込ませるかは適宜決定すればよ
いが、各構成管が両隣の構成管に対し接する、ないし
は、極近接する状態に各構成管を配置すれば、器体の外
周径を一層効果的に小径化することができる。

【００１２】〔２〕請求項２記載の発明では、４本の構
成管のうち管横断面視で対角関係にある構成管の下端部
どうしを２組の対角関係の組ごとに各別に連通させて、
２組のＵ字状熱媒流路を形成する。

【００１３】つまり、この構成によれば、４本の構成管
のうちの２本を往管とし、かつ、他の２本を復管とする
ことにおいて、各往管の下端に達した熱媒をその往管の
片隣又は両隣に位置する復管へわたらせるに比べ、各往
管の下端に達した熱媒を各往管の対角位置に位置する復
管へわたらせる形態になることで、往管から復管へわた
る流路の曲率半径を大きくすることができ、これによ
り、請求項１記載の発明において、４本の構成管を集約
配置する構成上、これら構成管どうしの間隔が小さくな
ることに対しても、各管内の熱媒通過を抵抗の小さい円
滑なものに維持することができる。

【００１４】そして、この熱媒通過の円滑化により、往
管及び復管の夫々での対地熱交換の効率を高めることが
でき、また、熱媒送りに要する動力も節減できる。

【００１５】〔３〕請求項３記載の発明では、４つの接
続口を上面部に形成し、かつ、これら４つの接続口のう
ち２つずつを各別に連通させる２つの連通路を内部に形
成した先端部材を設け、そして、４本の構成管の下端部
を、この先端部材の４つの接続口に各別に接続すること
で、２組のＵ字状熱媒流路を形成する。

【００１６】つまり、この構成によれば、２本の往管に
対し２本の復管を各別に連通させて２組のＵ字状熱媒流
路を形成するのに、上記先端部材の４つの接続口に対し
４本の構成管を各別に接続するだけで済み、各組ごとに
各別の屈曲接続管をもって往管と復管の下端部どうしを
接続する構造に比べ、流路形成を容易にすることができ
る。

【００１７】殊に、４本の構成管のうち対角関係にある
ものの下端部どうしを連通させる請求項２記載の発明の
実施では、上記屈曲接続管による接続の場合、管横断面
視で屈曲接続管どうしに交差が生じることで、また、各
構成管を両隣の構成管どうしの間の間隙に一部入り込ま
せる構成上、屈曲接続管を通す構成管どうしの間の間隙
が狭くなることで接続が難しくなり、このことから、請
求項２記載の発明を実施において、特に、上記先端部材
を用いる構造が有効になる。

【００１８】また、屈曲接続管による接続では、一方の
往復管組と他方の往復管組とを一体化するのに、屈曲接
続管による接続とは別に、一方の往復管組と他方の往復
管組とを連結部材により連結する必要があるが、上記先
端部材を用いる構造であれば、先端部材が連結部材とし
ても機能することで２組の往復管組の一体化も容易にな
り、これらのことから、器体の製作を容易にすることが
でき、また、そのことで製作コストも安価にすることが
できる。

【００１９】

【発明の実施の形態】図１は地中熱利用のヒートポンプ
システムを示し、１はヒートポンプ装置、１ａはヒート
ポンプ装置１における熱源側熱交換器、１ｂはヒートポ
ンプ装置１における出力側熱交換器である。

【００２０】２は地盤Ｇに埋設した地中熱交換器、３は
地中熱交換器２とヒートポンプ装置１の熱源側熱交換器
１ａとの間で熱源側熱媒Ｒ（例えば、ブラインや水）を
循環させる熱源側循環路である。

【００２１】ヒートポンプ装置１に温熱を発生させる冬
季運転では、熱源側熱交換器１ａを冷媒蒸発器として機
能させ、かつ、出力側熱交換器１ｂを冷媒凝縮器として
機能させ、これにより、熱源側熱媒Ｒを地中熱交換器２
において地中に対し採熱作用させながら、出力側熱交換
器１ｂにおいて温熱を発生させる。

【００２２】また、ヒートポンプ装置１に冷熱を発生さ
せる夏季運転では、熱源側熱交換器１ａを冷媒凝縮器と
して機能させ、かつ、出力側熱交換器１ｂを冷媒蒸発器
として機能させ、これにより、熱源側熱媒Ｒを地中熱交
換器２において地中に対し放熱作用させながら、出力側
熱交換器１ｂにおいて冷熱を発生させる。

【００２３】４は出力側熱交換器１ｂでの発生温熱や発
生冷熱を出力側熱媒ｒの循環により消費装置に送る出力
側循環路である。

【００２４】地中熱交換器２は、図２〜図５に示す如
く、熱源側熱媒Ｒをその通過過程で対地熱交換させる伝
熱管として、熱媒Ｒを地表側から地中深部へ向けて通過
させる２本の往管２ａ，２ｂと、これら往管２ａ，２ｂ
を通過した熱媒Ｒを地表側へ向けて通過させる２本の復
管２ｃ，２ｄとを備える構造にし、この４管構造により
対地伝熱面積を大きく確保するように、また、管内を仕
切って熱媒往路と熱媒復路を形成する形式に比べ構成管
２ａ〜２ｄを単純な管で済ませてコストを安価にするよ
うにしてある。

【００２５】これら４本の互いに平行な構成管２ａ〜２
ｄは、同図３に示す如く、管横断面視において、隣合う
構成管の中心間距離ｄが全て等しく、かつ、それら構成
管２ａ〜２ｄの各々が両隣の構成管どうし間の間隙に一
部入り込む状態に配置してあり、これにより、器体外周
径を小さくして器体埋設用の縦坑５の必要径を小さく
し、このことで坑掘削の負担を軽減するようにしてあ
る。

【００２６】また、４本の構成管２ａ〜２ｄを上記の如
く配置するにあたり、具体的には、４本の同径の構成管
２ａ〜２ｄを、それらの管中心が管横断面視で正方形の
各頂点に対応位置するように配置するとともに、各構成
管２ａ〜２ｄが両隣の構成管に対し接触ないし極近接す
る状態に配置し、これにより、器体外周径を最大限に小
径化するようにしてある。

【００２７】地中熱交換器２の先端部については、４つ
の接続口６ａ〜６ｄを上面部に形成し、かつ、これら４
つの接続口６ａ〜６ｄのうち２つずつを各別に連通させ
る２つの連通路７ａ，７ｂを内部に形成した先端部材８
を設け、この先端部材８の４つの接続口６ａ〜６ｄに対
し前記４本の構成管２ａ〜２ｄの下端部を各別に接続す
ることで、２組のＵ字状熱媒流路を形成してある。

【００２８】また、先端部材８の２つの内部連通路７
ａ，７ｂは、接続口６ａ〜６ｄに接続した４本の構成管
２ａ〜２ｄのうち管横断面視で対角関係にある構成管の
下端部どうしを２組の対角関係の組（２ａと２ｃとの
組、及び、２ｂと２ｄとの組）ごとに各別に連通させる
ように、管横断面視で交差する関係に形成してあり、こ
れにより、２組のＵ字状熱媒流路の夫々につき、往管２
ａ，２ｂから復管２ｃ，２ｄへわたる部分の曲率半径を
大きくして、熱媒通過の円滑化を図ってある。

【００２９】なお、この地中熱交換器２は、掘削形成し
た縦坑５に器体を挿入し、その挿入状態で縦坑５に周囲
地層と各構成管２ａ〜２ｄとの間の熱抵抗を小さくする
充填材（例えば、セメントないしシリカサンドを混合し
た粘土など）を充填して埋設する。

【００３０】〔別の実施形態〕次に別の実施形態を列記
する。

【００３１】４本の互いに平行な構成管２ａ〜２ｄを、
管横断面視において、隣合う構成管の中心間距離ｄが全
て等しく、かつ、それら構成管２ａ〜２ｄの各々が両隣
の構成管どうし間の間隙に一部入り込む状態に配置する
のに、前述の実施形態では、各構成管２ａ〜２ｄが両隣
の構成管に対し接触ないし極近接する状態に配置した
が、図６に示す如く、各構成管２ａ〜２ｄを両隣の構成
管との間に十分な間隔をとって配置してもよく、各構成
管２ａ〜２ｄを両隣の構成管どうし間の間隙にどの程度
入り込ませるかは、種々の条件等に応じて適宜決定すれ
ばよい。

【００３２】また、前述の実施形態では、同径の構成管
２ａ〜２ｄを、それらの管中心が管横断面視で正方形の
各頂点に対応位置するように配置したが、図７に示す如
く、構成管２ａ〜２ｄを、それらの管中心が管横断面視
で菱形の各頂点に対応位置するように配置すしてもよ
く、さらにまた、構成管２ａ〜２ｄの管径も４本全てを
同径にするに代え、例えば、２本を互いに同径の太管に
し、他の２本を互いに同径の細管にするなど、場合によ
っては、互いに異なる径の構成管を組み合わせ使用して
もよい。

【００３３】前述の実施形態では、４本の構成管２ａ〜
２ｄのうち管横断面視で対角関係にある構成管の下端部
どうしを２組の対角関係の組ごとに各別に連通させて、
２組のＵ字状熱媒流路を形成したが、請求項１記載の発
明の実施にあたり、場合によっては、図８に示すよう
に、４本の構成管２ａ〜２ｄのうち隣合う２本の構成管
の下端部どうしを２組の隣合い関係の組ごとに各別に連
通させて、２組のＵ字状熱媒流路を形成したり、あるい
は、図９に示すように、４本の構成管２ａ〜２ｄの全て
を下端部で連通させる構成を採用してもよい。

【００３４】なお、図８に示すものでは、４つの接続口
を上面部に形成し、かつ、これら４つの接続口のうち互
いに隣合う関係の２つずつを各別に連通させる２つの連
通路７ａ，７ｂを内部に形成した先端部材８を設け、こ
の先端部材８の接続口に４本の構成管２ａ〜２ｄの下端
部を各別に接続した構造にしてある。また、図９に示す
ものでは、４つの接続口を上面部に形成し、かつ、これ
ら４つの接続口の全てを連通させる一つの連通空間７を
内部に形成した先端部材８を設け、この先端部材８の接
続口に４本の構成管２ａ〜２ｄの下端部を各別に接続し
た構造にしてある。

【００３５】４本の構成管２ａ〜２ｄのうち２本ずつの
下端部どうしを各別に連通させて、２組のＵ字状熱媒流
路を形成するのに、２つの内部連通路７ａ，７ｂを形成
した先端部材８に対し４本の構成管２ａ〜２ｂを接続す
る構造に代え、請求項１又は２記載の発明の実施にあた
り、場合によっては、図１０や図１１に示す如く、４本
の構成管２ａ〜２ｄのうち２本ずつの下端部どうしを屈
曲接続管９で接続して、２組のＵ字状熱媒流路を形成す
るようにしてもよい。

【００３６】器内を通過させる熱媒Ｒは、水やブライン
に限らず、どのような流体であってもよく、場合によっ
ては気体であってもよい。また、ヒートポンプ装置にお
ける冷媒を器内に通過させるようにして、地中熱交換器
を冷媒蒸発器や冷媒凝縮器として機能させるようにして
もよい。

【図面の簡単な説明】

【図１】地中熱交換器を用いたヒートポンプシステムの
構成図

【図２】地中熱交換器の先端部材部分の横断面図

【図３】地中熱交換器の構成管部分の横断面図

【図４】地中熱交換器の先端部材部分の縦断面図

【図５】地中熱交換器の先端部材部分の縦断面図

【図６】別実施形態を示す構成管部分の横断面図

【図７】他の別実施形態を示す構成管部分の横断面図

【図８】他の別実施形態を示す先端部分の縦断面図と横
断面図

【図９】他の別実施形態を示す先端部分の縦断面図と横
断面図

【図１０】他の別実施形態を示す先端部分の縦断面図と
横断面図

【図１１】他の別実施形態を示す先端部分の縦断面図と
横断面図

【図１２】従来構造を示す正面図と横断面図

【図１３】他の従来構造を示す正面図と横断面図

【符号の説明】

２ａ，２ｂ 往管 ２ｃ，２ｄ 復管 ２ａ〜２ｄ 構成管 ６ａ〜６ｄ 接続口 ７ａ，７ｂ 連通路 ８ 先端部材 ｄ 中心間距離 Ｒ 熱媒

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 熱媒を対地熱交換させる伝熱管として、
   熱媒を地表側から地中深部へ向けて通過させる往管と、
   この往管を通過した熱媒を地表側へ向けて通過させる復
   管とを設ける地中熱交換器であって、 ２本を前記往管とし、かつ、他の２本を前記復管とする
   互いに平行な４本の構成管を、管横断面視において、隣
   合う構成管の中心間距離が全て等しく、かつ、それら構
   成管の各々が両隣の構成管どうし間の間隙に一部入り込
   む状態に配置してある地中熱交換器。
2. 【請求項２】 前記４本の構成管のうち管横断面視で対
   角関係にある構成管の下端部どうしを２組の対角関係の
   組ごとに各別に連通させて、２組のＵ字状熱媒流路を形
   成してある請求項１記載の地中熱交換器。
3. 【請求項３】 ４つの接続口を上面部に形成し、かつ、
   これら４つの接続口のうち２つずつを各別に連通させる
   ２つの連通路を内部に形成した先端部材を設け、 前記４本の構成管の下端部を前記４つの接続口に各別に
   接続して、２組のＵ字状熱媒流路を形成してある請求項
   １又は２記載の地中熱交換器。